Brevet FR2311981A1 — publié le 19761217

La présente invention est relative à un joint destiné à être disposé transversalement à l'intérieur d'une canalisation longitudinale véhiculant un fluide ain d'interrompre à volonté la circulation du fluide autour d'un organe disposé à l'intérieur de la dite canalisation, ainsi qu'à un groupe de pompage mettant en oeuvre ce joint. On sait que, notamment en géothermie, on a fréquemment recours à des pompes immergées que l'on introduit dans la nappe à pomper via des forages, tubés intérieurement ou non, présentant un diamètre supérieur aux dimensions transversales de ces pompes. Les forages étant généralement orientés verticalement, les pompes utilisées présentent vers le haut un orifice de sortie auquel est raccordée une canalisation d'évacuation du liquide pompé vers l'extérieur du forage. Cette canalisation a également pour rôle d'empêcher la rotation de la pompe sur elle-même sous l'effet du couple moteur et doit par conséquent être rigide. Du fait de la profondeur généralement importante des forages, elle est constituée de tubes rigides que l'on raccorde bout à bout, par exemple par vissage ou au moyen de brides, au fur et à mesure que l'on descend la pompe dans le forage. Une telle façon de procédérrend les opérations de descente de la pompe longues et fastidieuses, ainsi que les opérations de remontée qui demandent quant à elles un démontage successif des tubes. De plus, la nécessité d'un raccordement des tubes sur l'extré- mité transversale supérieure de la pompe oblige à réaliser celle-ci de telle façon que les turbines soient placées à proximité immédiate de cette extrémité supérieure, le moteur étant quant à lui dirige vers le fond du forage, ce qui provoque un rétrécissement de celuici en amont des turbines et provoque parfois des pertes de charge telles que l'on constate une cavitation de la première turbine de la pompe, insizsamment alimentée. Face aux inconvénient s d'un tel montage, le but de la présente invention est de proposer des moyens permettant de se dispenser d'une telle canalisation en permettant d'utiliser le tube de forage lui-même comme canalisation d'évacuation, c'est-à-dire en réalisant un joint évitant tout retour de liquide de l'aval vers l'amont de la pompe ou plus généralement de tout autre organe disposé dans un tube, et en réalisant une liaison positive entre la pompe ou cet organe et les parois du tube pour empêcher tout déplacement relatif notamment par suite d'un couple de rotation. Ces moyens, situés au niveau de la pompe ou du dit organe, doivent en outre être escamotables à volonté par télé-commande afin de permettre les déplacements longitudinaux voulus à l'intérieur du tube . Le joint selon l'invention répond à cet objectif, étant susceptible d'être fixé à la périphérie de tout organe tel qu'un corps et de pompe destiné à être placé à l'intérieur d'un tube dilatable ou rétractable à volonté pour assurer une liaison étanche entre cet organe et les parois du tube ou pour libérer cet organe. Cette dilatation et cette rétractation étant généralement commandéespneumatiquement ou hydrauliquement, les mouvements du joint peuvent être aisément télé-commandés de l'extérieur du tube par intermédiaire de câbles ou de tuyauteries souplesque l'on dévide au fur et à mesure de la descente de la pompe et qui ne nécessitent par conséquent aucune opération de montage ou de démontage comparable à celle que nécessite actuellement la réalisation d'une canalisation d'évacuation rigide. Dans le domaine particulier des groupes de pompage zsmerges l'utilisttion d'un tel joint permet par conséquent de simplifier ~considérablement et de rendre plus rapides les manoeuvres de montée et de descente du groupe. Cecijoint au fait même de l'absence de toute canalisation d'évacuation, permet de réduire sensiblement le coût des intallations. De plus, on évite les pertes de charge habituellement dues au passage du liquide dans la canalisation d'évacuation de faible diamètre, ce qui permet de travailler à des débits importants sans fatigue excessive du groupe de pompage. Enfin, il n'est plus nécessaire de prévoir l'évacuation sur la face supérieure de la pompe, et on peut par exemple la disposer latéralement, ce qui permet de disposer le moteur vers le haut et les turbines vers le bas, au contact direct de la nappe de liquide à pomper, et par conséquent d'éviter tout risque de cavitation. Naturellement, dans ce cas comme lorsque le groupe de pompage est réalisé de façon classique, le joint selon l'invention estintercalé entre la paroi du tube et le corps de pompe en une zone > # ce dernier située entre l'aspiration et le refoulement. Dans le cas de forages horizontaux, le joint selon l'invention joue de plus un rôle insonorisateur, ne transmettant pas les vibrations du groupe de pompage aux parois du tube. Le joint selon l'invention, destiné à être disposé transversalement à l'intérieur d'un tube longitudinal véhiculant un fluide afin d'interrompre à volonté la circulation du dit fluide autour d'un organe disposé à l'intérieur du dit tube, et caractérisé en ce qu'il comporte - une couronne transversale rigide, étanche, solidaire de façon étanche du dit organe et présentant des dimensions transversales extérieures inférieures aux dimensions transversales intérieures du tube, - un anneau en matériau étanche, élastiquement déformable, en liaison étanche avec la périphérie externe de la dite couronne et intercalé entre celle-ci et la paroi du tube, - des moyens pour déformer le dit anneau dans des directions transversales, entre une position dilatée dans laquelle sa périphérie externe est en contact étanche avec la dite paroi et une position rétractée dans laquelle sa périphérie externe est distante de la dite paroi. Le groupe de pompage selon 1l'invention, destiné à être immergé à l'intérieur d'un tube, comportant un corps de pompe présentant une entrée et une sortie pour le fluide à pomper, est caractérisé en ce qu'il comporte, interealé entre la paroi du tube et le corps de,pompe dans une zone de ce dernier'située entre l'entrée et la sortie, un joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la couronne est solidaire du corps de pompe dans la dite zone. L'invention sera mieux comprise si l'on se réfère à la description ci-dessous, relative à un mode de réalisation non limitatif, ainsi qu'aux dessins annexés, qui font partie intégrante de cette description. Les figures 1 à 3 montrent trois modes de réalisation d'un joint selon l'invention, en coupe par un plan axial. Les figures 4 et 5 montrent deux modes de réalisation d'une pompe selon l'invention, placée à l'intérieur d'un tube de forage vertical, l'ensemble étant vu en coupe par un plan axial vertical à ltesception de la pompe proprement dite qui n'est pas coupée. Ces figures illustrent à titre d'exemple le cas d'un organe cylindrique d'axe vertical 1 tel qu'une pompe 2 logée à l'intérieur d'un tube cylindrique coaxial 3, mais l'invention n'est naturellement limitée ni à de telles formes cylindriques, ni à une telle position verticales La figure 4 montre une pompe 2 de type traditionnel, dont le corps cylindrique de révolution autour de l'axe 1 renferme intérieurement, dans sa zone inférieure 4, un moteur par exemple électrique et, dans sa zone supérieure 6, les turbines successives dont l'entrée 7 est située sur la périphérie latérale cylindrique 8 du corps de pompe, entre les zones 4 et 6, et dont la sortie 5 est disposée centralement à l'extrémité transversale supérieure 11 du corps de pompe.La pompe baigne alors dans le liquide à pomper au moins jusqu'à la partie inférieure de sa zone supérieure 6, et le liquide pompé passe successivement entre la face interne 9 du tube 3 et la périphérie cylindrique 8 de la pompe dans la zone inférieure 4 de celle-ci, puis à l'intérieur de la zone supérieure 6 via l'entrée 7, puis à l'intérieur du tube 3 lui-même , dans lequei la pompe débouche par sa sortie 5. Pour éviter un retour vers le bas du liquide pompé débouchant par la sortie 5, un joint selon l'invention 10 solidaire de la périphérie cylindrique 8 de la pompe dans la zone supérieure6 de celle-ci assure un coîsonnement vertical étanche du tube dans cette zone, autour du corps de pompe. Ce joint 10 est par exemple du type illustré à la figure 1. Il comporte alors une couronne rigide étanche 12 orientée transversalement par rapport à l'axe 1, solidaire de façon étanche de la périphérie 8 du corps de pompe ou, plus généralement, de l'organe autour duquel on veut réaliser une étanchéité. Dans lgexem- ple illustré, cette couronne se présente sous la forme d'un corps de révolution autour de l'axe 1 et comporte une face interne 13 cylindrique de révolution autour de cet axe et d'un diamètre propre à a lui permettre de s'adapter de maçon étanche sur la périphérie cylindrique 8 du corps de pompe, une fi ce externe 14 également cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et d'un diamètre intermédiaire entre celui de la périphérie cylindrique 8 du corps de pompe et celui de la face interne 9 du tube 3 en étant de préférence très voisin de ce dernier ; ces deux faces cylindriques 13 et 14 sont reliées par deux faces horizontales respectivement supérieure 11 et inférieure 16. Dans la face extérieure 14 de la couronne 12 est ici aménagée une gorge périphérique annulaire 17 de révolution autour de l'axe 1 et définie ici par un fond 18 cylindrique de révolution autour de cet axe et par deux faces respectivement supérieure 19 et inférieure 20 planes et sensiblement perpendiculaires a cet axe. A l'intérieur de la gorge 17 est disposé un anneau 21 en matériau étanche élastiquement déformable tel qu'un caoutchouc naturel ou synthétique, ou un élastomère. Cet anneau présente ici une section transversale rectangulaire, et des dimensions telles qu'il reste constamment en contact avec les faces 19 et 20 de la gorge. Extérieurement, l'anneau 21 présente une face 22 cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et éventuellement munie de nervures périphériques également de révolution autour de cet axe, laquelle face 22 est destinée à venir s'appliquer contre la face interne 9 du tube 3 lorsque le joint est en service, étant par contre en retrait vers l'axe 1 lorsque l'on désire déplacer la pompe à l'intérieur du tube. La position rétractée correspond en fait à la position de repos de l'anneau, et sa dilatation dans des directions transversales par rapport à l'axe 1 et provoquée par un dispositif intercalé entre sa périphérie interne 23 et le fond 18 de la gorge 17, et réalisé sous la forme d'un élément torique étanche 24, creux et élastiquement déformable, définissant intérieurement une chambre-torique susceptible de recevoir un fluide sous pression, liquide tel que de l'eau ou de l'huile ou gazeux tel que de l'air. L'élément 24 est par exemple réalisé en caoutchouc. Des moyens pour introduire le fluide sous pression dans la dite chambre ou pour l'en évacuer sont prévus généralement à l'extérieur du forage, en surface, et sont reliés au joint par des conduits souples tels que 25 descendant librement vers la pompe via le tube 3, comme Ses câbles d'alimentatXlon/25 we cette dernière. Afin d'éviter un ein;àinment de ces conduits et de ces câbles lors de la descente de la pompe par rotation de celle-ci sur elle-même, la suspension de la pompe auKmoyensde manutention est réalisée par 1'in- termédiaire d'un câble anti-giratoire 27. Il est à noter que le joint selon l'invention 10 permet d'assurer le centrage de la pompe dans le tube 3 vers le haut dans le cas de la figure 4 ; le centrage de la pompe à proximité de son extrémité inférieure 28 peut quant à lui être assuré par trois bras radiaux tels que 29 fixés au corps de pompe 2 et porteurs de galets tels que 30 au contact de la face interne 9 de la paroi du tube 3. Naturellement, le nombre de bras radiaux 29 pourrait être différent de trois, bien que ce nombre paraisse être un :epti#ia- dans le cas de tubes cylindriques. La figure 5 montre un mode de réalisation préféré d'une pompe selonwllinventionp autorisé par le fait que la présence du joint selon l'invention permet de refouler directement dans le tube 3. Selon ce mode de réalisation préféré, les turbines 31 sont disposées à la partie inférieure de la pompe, aspirant au niveau de l'extrémité inférieure 32 de celle-ci, et le moteur 33 est quant à lui disposé au-dessus. Le refoulement a alors lieu entre les turbines 31 et le moteur 33, en 34, et le joint selon l'invention est alors intercalé entre les turbines 31 et le niveau de la sortie 34. Dans ce cas, les bras de centrage 35 peuvent être fixés au corps de pompe à proximité immédiate de l'extrémité supérieure 36 de celui-ci. On a représenté à cette figure 5 une forme d'exécution du joint selon l'invention 37 voisine de celles qui sont illustrées aux figures 1 et 4, si ce n'est que l'anneau dilatable 38 présente dans ce cas une forme évasée vers la paroi du tube 3, ce qui permet d'étendre la zone de contact. Mais naturellement, d'autres modes de réalisation peuvent être adoptés, notamment quant aux moyens assurant la dilatation de l'anneau ou son retrait. Par exemple, si les parois de l'élément torique 24 doivent être réalisées en matériau extensible élastiquement dans le cas de la figure 1, elles peuvent également être réalisées en un matériau inextensible et par exemple en métal. Dans ce cas, comme le montre par exemple la figure 2, où l'on a repris par ailleurs les mêmes références qu'à la figure 1 pour les éléments identiques, les parois de l'élément torique 39 correspondant à l'élément torique 24 de la figure 1 présentent une alternance de zones convexes et de zones concaves réalisées par exemple sous la forme de nervures et de rainures d'axe 1 ; ces nervures et ces rainures, disposées au moins dans les zones de l'élément torique 39 en regard des faces 19 et 20 de la gorge 17,constituent dans ces zones 40 et 41 des soufflets permettant de gonfler ou de dégonfler l'élément 39 malgré l'inextensibilité du matériau qui le constitue. Si l'élément torique 39 présente des nervures dans sa zone de contact avec 1'anneau 21, ces nervures, par exemple parallèles à l'axe 1, présentent de préférence un profil arrondi afin d'éviter d'endommager l'anneau. Il est à noter que, dans le cas de ce mode de réalisation, il est préférable que la face de l'élément torique 39 qui est tournée vers le fond 18 de la gorge 17 soit lisse, afin de s'appliquer de façon étanche sur ce fond. Dans le cas de ces deux modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2, la mise sous pression des éléments toriques 24 et 39 provoque leur dilatation et celle de l'anneau 21, lequel se rétracte de lui-même de par son élasticité naturelle lorsque lton met les éléments toriques 24 et 39 à l'échappement. On a représenté à la figure 3 un troisième mode de réalisation du joint selon l'invention, selon lequel sa dilatation n'est plus consécutive au gonflement d'un élément intercalé entre la couronne 12 et lui. Se#%nmode de réalisation illustré à titre d'exemple à la figure 3 le joint selon l'invention comporte, comme dans les cas précédents, une couronne 12 propre à s'adapter par sa périphérie intérieure au corps de pompe 2 ou à tout autre organe destiné à être placé dans un tube 3. Comme dans les deux cas précédents, cette couronne est délimitée extérieurement par une face 14 cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et d'un diamètre légèrement inférieur à celui du tube 3, cette face 14 étant creusée, comme dans les cas précédents, d'une gorge périphérique 42 couverte vers l'extérieur. Dans ce cas comme dans les cas précédents, la gorge 42 est délimitée par un fond 43 cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et d'un diamètre intermédiaire entre ceux des faces 14 et 13 de la couronne, et par deux faces respectivement inférieure 44 et supérieure 45 orientées perpendiculairement à l'axe 1. Toutefois, la face supéreure 45 n'est pas ici reliée directement à la face externe 14 de la couronne, mais elle lui est reliée par une face tronconique 46 de révolution autour de l'axe 1, convergente vers l'intérieur de la gorge*42. A l'intérieur de la gorge 42 est disposé un organe torique 47 de révolution autour de l'axe 1 et présentant vers celui-ci une face interne 48 cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et d'un diambtre voisin de celui du fond 43 de la gorge, afin de permettre le coulissement de Organe 47 sur ce dernier suivant la direction de l'axe 1. L'organe torique 47 est en outre délimité par deux faces respectivement inférieure 40 et supérieure 50 planes et orientées transversalement par rapport à l'axe 1, et par une face externe 51 cylindrique de révolution autour de l'axe 1 et d'un diamètre par exemple égal à celui de la face externe 14 de la couronne 12. Cette face externe 51 est directement jointive de la face inférieure 49 de l'organe 47, mais elle est reliée à sa face supérieure 50 par l'intermédiaire d'une face tronconique 52, de révolution autour de l'axe 1 et inclinée par rapport à celui-ci d'un même angle que la face tronconique 46, les deux surfaces 46 et 52 étant convergentes l'une vers l'autre. Des moyens sont prévus pour rapprocher ou éloigner l'organe mobile 47 de la face 45 de la gorge par coulissement sur le fond 43 de cette dernière suivant la direction de l'axe 1. Ces moyens sont constituEs, dans l'exemple illustré, par une pluralité de vérins 54, de préférence à double effet, intercalés entre la face inférieure 44 de la gorge et la face inférieure 49 de l'organe torique 47. Ces vérins, hydrauliques ou pneumatiques, sont reliés à une source de fluide sous pression située par exemple à la surface du lieu de forage, par exemple au moyen de conduits souples analogues au conduit 25 illustré à la figure 4. L'anneau d'étanchéité 53, réalisé dans un matériau analogue au matériau utilisé dans les deux modes de réalisation décrits précédemment, est ici intercalé entre les deux faces tronconiques 46 et 51, et présente en regard de ces faces tronconiques une forme telle que le rapprochement et l'éloignement de ces faces tronconiques sous l'action des vérins 54 provoquent respectivement sa dilatation et sa rétractation dans un plan transversal par rapport à l'axe 1. Les dimensions de l'anneau 53 sont de préférence telles qu'il reste contamment appliqué sur les faces tronconiques 45 et 52 lors de ces mouvements. L'anneau 53 peut par exemple présenter en regard des faces 46 et 52 deux faces les épousant exactement, ou encore une surface courbe convexe vers ces faces. La face de l'anneau 53 tournée vers l'extérieur peut quant à elle, comme dans les cas précédents, présenter toute forme propre à permettre à la fois un bon accrochage par friction sur la face interne 9 du tube 3 et une bonne étanchéité à ce niveau. Naturellement, le mode de dilatation ou de rétiactation du joint dans le cas de ce mode de réalisation pourrait être différent de celui qui a été décrit sans que l'on sorte pour autant du cadre de I'invention. On pourrait d'ailleurs envisager de nombreux autres modes de réalisation d'un joint selon l'invention sans sortir pour autant de ltesprit de l'inventions notamment en fonction des conditions de travail du joint te'que par exemple la nature, la température du fluide à arrêter, les caractéristiques techniques de organe autour duquel on désire assurer l'étanchéité, etc. . Particulièrement adapté auxgroupn de pompagesimmerg & rend notamment possible l'utilisation dans des forages dont l'axe est horizontal, le joint selon l'invention n'est cependant pas limité à ce mode d'utilisation. En particulier, il peut être utilisé tel quel pour provoquer un rétrécissement ou même une interruption totale de la circulation d'un fluide dans une canalisation, la couronne 12 présentant alors intérieurement toute conformation voulue. Enfin, il est à noter que l'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en inversant les positions relatives de la couronne et de l'anneau élastique, la couronne étant alors fixe par rapport à un organe externe qui pourrait être le tube 3 et l'anneau assurant l'étanchéité entre cet organe et un organe interne mobile relativement au premier. Dans certains cas, le joint selon l'invention peut être réalisé selon une variante des modes de réalisation illustrés aux figures 1 et 2 dans lesquels sa dilatation et sa rétractation sont dues respectivement au gonflement et au dégonflement d'un élément torique creux. Selon cette variante, l'élément torique gonflable est au moins partiellement logé à l'intérieur de l'anneau élastique, qui présente à cet effet une cavité annulaire intérieure. Cette cavité peut être consttuée par une gorge annulaire aménagée dans la périphérie interne 23 de l'anneau, ouverte vers la couronne 13 et fermée sur cette dernière de façon étanche ; elle peut également être constituée par une cavité torique, fermée, aménagée dans l'anneau, lequel peut alors constituer lui-même l'élément gonflable. REVENDICATIONS 1) Joint destiné à être disposé transversalement à l'intérieur d'un tube longitudinal véhiculant un fluide afin d'interrompre à volonté la circulation du dit fluide autour d'un organe disposé à l'intérieur du dit tube, caractérisé en ce qu'il comporte - une couronne transversale rigide, étanche, solidaire de façon étanche du dit organe et présentant des dimensions transversales externes inférieures aux dimensions transversales internes du tube, - un anneau en matériau étanche élastiquement déformable,en liaison étanche avec la périphérie externe de la dite couronne et intercalé entre celle-ci et la paroi du tube, - des moyens pour déformer le dit anneau dans des directions transversales, entre une position dilatée dans laquelle sa périphérie externe est en contact étanche avec la dite paroi et une position rétractée dans laquelle sa périphérie externe est distante de la dite paroi. 2) Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite couronne présente une gorge périphérique susceptible de recevoir intérieurement le dit anneau, au moins partiellement, et en ce que les dits moyens sont disposés à l'intérieur de la dite gorge. 3) Joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les dits moyens comportent un élément torique étanche, intercalé entre la périphérie externe de la couronne et la périphérie interne de l'anneau et en contact étanche avec eux, le dit élément étant creux, élastiquement déformable et définissant intérieurement une chambre torique, et des moyens pour introduire dans la dite chambre ou pour en évacuer un fluide sous pression. 4) Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dit élément torique est en matériau élastiquement extensible. 5) Joint selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dit élément torique est en matériau inextensible et en ce que sa paroi est formée d'une alternance de zones convexes et de zones concaves. 6) Joint selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones convexes et les zones concaves sont définies respectivement par des nervures et des rainures formant soufflet au moins suivant des directions transversales par rapport à la direction générale du tube. 7) Joint selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens pour déformer le dit anneau comportent, à la périphérie externe de la couronne, au moins deux organes toriques transversaux dont l'un au moins est mobile par rapport à la couronne suivant une direction longitudinale et dont chacun définit extérieurement une surface tronconique en contact étanche avec la périphérie interne de l'anneau, les dites surfaces tronconiques étant convergentes l'une vers l'autre, et des moyens pour rapprocher ou éloigner les dits organes toriques l'un de l'autre dans une direction longitudinale. 8) Joint selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour rapprocher ou éloigner les dits organes toriques comportent des vérins et une alimentation des dits vérins en fluide sous pression. 9) Joint selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'un des dits organes toriques est défini par la périphérie externe de la couronne et en ce que le deuxième organe torique est monté à coulissement longitudinal sur la dite périphérie, sous llaction des dits moyens. 10) Groupe de pompage destiné à être immergé à l'intérieur d'un tube, comportant un corps de pompe présentant une entrée et une sortie pour le fluide à pomper, caractérisé en ce qu'il comporte, intercalé entre la paroi du tube et le corps de pompe dans une sne de ce dernier située entre ltentrée et la sortie, un joint selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la couronne est solidaire du corps de pompe dans la dite zone. 11) Groupe de pompage selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de centrage du corps de pompe dans le tube. 12) Groupe de pompage selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de centrage comportent une pluralité de bras transversaux dont chacun est solidaire du corps de pompe et en contact avec la paroi du tube, à l'intérieur de celle-ci. 13) Groupe de pompage selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque bras comporte un galet au contact de la paroi du tube. 14) Groupe de pompage selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la sortie du corps de pompe débouche directement dans le tube. 15) Groupe de pompage selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le moteur de la pompe est situé en aval de l'organe aspirant de celle-ci et du dit joint.