Brevet FR2465906A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un appareil de pompage de "pétrole" en surface, destiné à l'exploitation d'un puits "de pétrole" déjà foré et exploité mais dont le débit a diminué. Cet appareil est principalement destiné à l'exploitation d'un puits de pétrole dans lequel la pression qu'exerçait le gaz naturel sur le pétrole pour l'élever à la surface a diminué, dans lequel on a injecté de l'eau et dans lequel un mélange d'eau et de pétrole est pompé jusqu'à la surface du sol pour y être fractionné en ses deux éléments constitutifs. Dans l'exploitation des gisements de pétrole par pompage, utilisant une tige de suspension élevant et abaissant un chapelet de tiges de pompage d'une longueur de un kilomètre et plus, pour pomper le pétrole jusqu'à la surface, l'effet de traction exercé sur le- chapelet de tiges de pompage, joint au poids du pétrole élevé par elles, posent de multiples problèmes dûs au mouvement ascendant et descendant de ce chapelet de grande longueur engendrant dans ce dernier, lorsqu'il est soumis au poids du pétrole, un effet d'oscillations analogues à celles d'un rubanr élastique et un dépassement des points extrêmes d'ascension et de descente. Ce problème a déjà été envisagé, au moins depuis 1946, dans les deux brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 2 504 218 et 2 572 748 au nom de Paul E. Noll et consorts et, plus récemment, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 782 117 au nom de Robert G. James. Malgré ces antécédents, il n'en reste pas moins vrai qu'il se produit toujours des ruptures du chapelet de tiges de pompage obli- geant à extraire du puits des chapelets de plusieurs kilomètres de long, quelquefois même après avoir dû en repêcher l'extrémité brisée, ce qui entraîne une baisse de production du puits, des dépenses d'extraction et de remplacement du chapelet de tiges de pompage, incidents causés au moins en partie par la tension exercée sur le chapelet, par le dépassement des limites de course et par la mauvaise synchronisation du dispositif mécanique d'amortissement des oscillations produites par une inversion trop rapide du sens de la course montante ou descendante. En conséquence, pour diminuer substantiellement les ruptures du chapelet de tiges de pompage, la présente invention vise à réaliser un entraînement hydraulique d'élévation et de descente de la tige de suspension et du chapelet de tiges de pompage, au moyen d'un dispo- sitif comportant des palpeurs disposés de façon à être actionnés par le "piston-tige" du moteur hydraulique pour décélérer le chapelet de tiges de pompage dans sa course descendante lorsqu'il s'approche de sa fin de course inférieure; un palpeur détectant la limite inférieure de la course pour arrêter le piston-tige et l'immobiliser pendant un laps de temps suffisant pour permettre l'amortissement des tractions s'exerçant sur le chapelet de tiges de pompage avant d'amorcer la remontée (dans le sens ascendant du puits) de la masse pesante augmentée du poids du pétrole cueilli par ledit chapelet pendant son temps d'immobi- lisation à fond de course. La course extrême inférieure (comme la course extrême supérieure) dudit chapelet exigent une pause, à l'extrémité supérieure pour permettre au pétrole de pénétrer dans le puits, et à l'extrémité inférieure pour amortir les tractions exercées sur le chapelet et qui y provoquent de l'usure et des ruptures. Outre qu'elle résoud le problème mentionné ci-dessus, la présente invention permet également un ajustement simple et rapide de la longueur des courses de pompage et des périodes de pause en vue de répondre aux diverses conditions de viscosité du pétrole pompé, ceci au moyen d'une structure et de circuits électriques qui ne sont ni décrits ni suggérés dans les documents antérieurement publiés. La pause en fin de course supérieure a une très grande importance pour la récupération des huiles à viscosité élevée, impossible à effectuer actuellement, avec les appareils usuels. Pour réaliser une récupération substantielle de ces huiles à vis- cosité élevée, irrécupérables aujourd'hui avec les appareils usuels connus, la présente invention utilise un palpeur disposé de façon a être actionné par le "piston-tige" du moteur hydraulique et qui, lorsqu'il est actionné, excite un relais à action différée immobilisant le chapelet de tiges de pompage dans sa position supérieure extrême de façon à maintenir l'aspiration de la pompe de fond, la soupape de retenue restant ouverte, et à permettre ainsi à l'huile à viscosité élevée de pénétrer dans le barillet de la pompe de fond. Lorsque le relai à action différée se déclenche, le chapelet de tiges de pompage amorce son mouvement ascendant et ferme la soupape de retenue de la pompe de fond. L'huile à viscosité élevée se trouve donc emprisonnée dans le barillet de la pompe et est déplacée par le mouvement du plongeur dans la pompe de fond. L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à un exemple préféré, non limitatif, de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté d'un appareil de surface, conforme à l'invention, pour l'extraction de pétrole par pompage; - la figure 2 est une vue perspective partielle de l'appareil de la figure 1, depuis la partie arrière gauche - la figure 3 est une vue latérale de l'appareil de la figure 1, vu du côté opposé à celui de la figure 1; - la figure 4 est une vue partielle de côté de l'appareil de la figure 1, montrant la région des disjoncteurs et de leurs appendices de contact pour la décélération et l'arrêt en position inférieure; - la figure 5 est une vue perspective partielle de la paroi latérale du réservoir hydraulique avec ses distributeurs et son dispositif d'alimentation du cylindre en fluide hydrau- lique; - la figure 6 est un diagramme de séquence opérationnelle du cylindre et de son piston-tige avec les disjoncteurs d'arrêt actionnés par ce dernier; - la figure 7 est un diagramme du circuit hydraulique de l'appareil selon l'invention; - la figure 8 est un schéma de montage du circuit électrique commandant le sytème hydraulique de l'invention; - la figure 9 est une représentation schématique de la disposition du panneau de commande électrique de l'appa- reil selon l'invention; et - la figure 10 est un organigramme d'une variante du système hydraulique actionnant l'appareil selon l'invention. Les figures 1 à 5 montrent un socle 20 sur lequel est monté un cylindre hydraulique 21 et son ensemble "piston-tige" 22. Une roue dentée 23, pouvant tourner librement, est montée sur l'extrémité libre du pistontige 22 et engrène avec une chaîne d'entraînement 24 dont l'extrémité de l'un des brins ainsi formés, est fixée au socle 20. L'autre brin engrène avec la partie inférieure d'un pignon fou 25 exerçant une traction égale sur l'extrémité du piston 22 dans les deux sens de déplacement, puis est reliée à un câble 26 qui embrasse un rouet, ou poulie, 27 (monté rotatif à l'extrémité d'une flèche 28, au dessus d'un puits de forage 29). Ce câble 26 est joint à une tige de suspension 30 et à un chapelet de tiges de pompage rattaché à celle-ci. Le mécanisme de mise en action du piston-tige en vue d'élever et d'abaisser le chapelet de tiges de pompage comprend un moteur primaire (diesel, à gaz naturel, à essence ou électrique) entraînant une pompe hydraulique à plateau oscillant 32 (figure 3) alimentée en fluide hydrau- lique à partir d'un réservoir 33 par une conduite 34. Cette pompe 32 refoule le fluide sous pression, par une conduite 35, une soupape de retenue 36 et un filtre 37, dans un tube souple 38 amenant le fluide sous pression au cylindre 21 pour pousser le piston-tige 22 dans la position représentée aux figures 1 et 2. Sur ces figures 1 et 2 on voit une barre de commutation 39, portée par ce piston-tige, et se terminant par un ergot 40 qui doit prendre contact avec les appendices 41, 42, 43 de disjoncteurs d'arrêt respectifs 44, 45, 46 qui commande l'extension et la rétraction du piston-tige 22 qui élève ou abaisse la tige de suspension 30 et par conséquent le chapelet de tiges de pompage 31. La figure 2 montre la barre de commutation 39 et son ergot 40 en extension maximale, lorsque le chapelet de tiges de pompage 31 se trouve au sommet de sa course de pompage, cet ergot prenant alors contact avec l'appendice 41 du disjoncteur d'arrêt 44 pour exciter le solénoïde B et désexciter le solénoïde D (figures 6, 7) afin de per- mettre la vidange du cylindre 21- et la rétraction du piston-tige 22, une fois le contact établi avec un disjoncteur à action différée 47 qui était excité lorsque le disjoncteur d'arrêt 44 était en contact (figure ). Après le déclenchement du disjoncteur à action différée 47, les solénoïdes A et D sont désexcités en sorte que le fluide peut franchir le dispositif détendeur 48 (RV-1). Le poids du chapelet de tiges de pompage, conjointement avec la vidange du cylindre 21, ramènent le piston-tige 22 à sa position représentée à la figure 1 jusqu'à ce que l'ergot 40 de la barre de commutation 39 prenne contact avec les appendices 42 et 43 des disjoncteurs d'arrêt 45 et 46 de décélération en mode descendant et de pause qui désexcitent les solénoïdes A et B et excitent le solénoïde D une fois expiré le temps de retard du disjoncteur à action différée. Une fois le disjoncteur à action différée désexcité en mode descendant, le cycle recommence en élevant la tige de suspension et les tiges de pompage qui lui sont rattachées. Après avoir franchi le dispositif détendeur 48 (RV-1) le fluide revient à la chambre de surpression (ou d'amortissement) constituée par la partie supérieure du réservoir 33. Le fluide contenu dans cette chambre de surpression s'écoule ensuite par son propre poids, ou est injecté, dans le condenseur 49 visible sur les figures 1 et 2. Une fois refroidi, le fluide passe du condenseur au réservoir 33. La séquence de commande du piston-tige 22 et des organes solidaires qu'il entraîne (chaîne 24, câble 26, tige de suspension 30 et chapelet de tiges de pompage 31) est la suivante: Lorsque l'ergot 40 de la barre de commutation 39 prend contact avec l'appendice 41 du disjoncteur d'arrêt 44, il provoque l'exci- tation d'un relais à verrouillage connecté de façon à exciter un relais à action différée 47 et à maintenir le circuit bloqué jusqu'à expiration du temps de retard du relais 47, moment auquel le relais à verrouillage s'ouvre et débloque le solénoïde D de façon à permettre la vidange du cylindre 21 et la rétraction du piston-tige 22 vers la droite des figures 1 et 2. Les trois modes de fonctionnement du piston-tige 22 sont les suivants 1 En mode descendant, rétraction du piston-tige (descente de la tige de suspension) (figure 10). L'ergot 40 de la barre de commutation 39 prend contact avec l'appendice 41 du disjoncteur d'arrêt 44, provoquant l'excitation du solénoïde B, le relais-à action différée 47 n'amorçant la rétrac- tion du piston-tige qu'après expiration du temps de retard de ce relais. La vitesse de rétraction du piston-tige est déterminée d'avance par réglage manuel de la soupape 36 (figure 5). 2 Décélération de la vitesse du piston-tige en mode descendant (décélération de la tige de suspension). L'ergot 40 de la barre de commutation 39 prend contact avec l'appendice 42 du disjoncteur d'arrêt 45 provoquant l'excitation du solénoïde A et l'injection du fluide à travers un orifice plus petit que celui du solénoïde B, ralentissant ainsi la vitesse de rétraction du piston-tige. Cette vitesse réduite se maintient jusqu'à ce que l'ergot 40 prenne contact avec l'appendice 43 du disjoncteur d'arrêt 46, entraînant la désexcitation des solénoïdes A et B et l'arrêt du déplacement du pistontige, ainsi que l'excitation du solénoïde D et du relais à action différée 47 (figure 10). En mode ascendant, extension du piston-tige (montée de la tige de suspension). L'ergot 40 de la barre de commutation 39 prend contact avec l'appendice 43 du disjoncteur d'arrêt 46, provoquant l'excitation du solénoïde D et la désexcitation des solénoïdes A et B, ce qui entra ne l'injection de fluide dans le cylindre 21 et, après expi- ration du temps de retard du relais à action différée 47, l'exten- sion du piston-tige 22. Lorsque l'ergot 40 prend contact avec l'appendice du disjoncteur d'arrêt 46, il se produit une excitation d'un relais à verrouillage, connecté de façon à exciter un relais à action différée 47 et à maintenir bloqué le circuit jusqu'à expiration du temps de retard de ce relais 47, ce qui ouvre le circuit, libère le solénoïde A et excite le solénoïde D pour provoquer le mouvement de montée. Ce qui précède décrit un cycle de pompage (descente et montée). La longueur de la course peut être réglée en augmentant ou en dimi- nuant la distance séparant les disjoncteurs 44 et 46 qui sont montés coulissants sur une barre porteuse 20A fixée au socle 20. Ces disjonc- teurs peuvent être immobilisés (dans le sens de la longueur) en un point quelconque de la barre 20A par serrage d'un boulon, au moyen d'une clef à main par exemple. La fréquence des courses de pompage peut être augmentée ou diminuée en modifiant la position du plateau oscillant de la pompe hy- draulique 32 de façon à modifier le débit de fluide hydraulique entraî- nant le piston-tige 22 qui provoque la montée de la tige de suspension 30. Le disjoncteur, ou relais, à action différée 47, utilisé dans le mode de réalisation de l'invention représenté et décrit, est un RELAIS TEMPORISE PNEUMATIQUE SIEMENS 7 PQ 80044, et les disjoncteurs d'arrêt 44, 45 et 46 sont des disjoncteurs SIEMENS CARRES D 862 J (classe 9007). REVENDICATIONS 1. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole, utilisable conjointement avec une tige de suspension et un chapelet de tiges de pompage qui lui sont rattachés, caractérisé en ce qu'il com- prend: a) un cylindre hydraulique et son piston-tige connectés de façon à élever et abaisser la tige de suspension; b) des organes placés de façon à être actionnés par un élément dudit piston-tige et situés dans un circuit hydraulique pour obliger ledit piston-tige à élever la tige de suspension dans une direction et à l'abaisser dans l'autre direction; c) des organes décélérateurs dans le circuit hydraulique avec ledit piston- tige pour retarder graduellement l'abaissement dudit chapelet de tiges de pompage au voisinage de l'extrémité inférieure de la course de la tige de suspension; d) et des organes générateurs de pause dans le circuit hydraulique avec ledit piston-tige pour maintenir le chapelet de tiges de pompage en position élevée maximale pendant un laps de temps prédéterminé afin de per- mettre au pétrole de s'écouler dans le chapelet de tiges de pompage pour être pompé jusqu'à la surface. 2. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre le piston-tige et la tige de suspension comprend un organe flexible dont une extrémité est fixée à la tige de suspension et l'autre à une chaîne, et une roue dentée montée rotative sur l'extrémité libre du piston-tige et en prise motrice avec ladite chaîne de façon à provoquer l'élévation et l'abaissement dudit organe flexible et de la tige de suspension qui lui est rattachée. 3. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes actionnables par un élément du piston-tige sont trois disjoncteurs d'arrêt placés sur la ligne de déplacement dudit élément et dont les organes de commande sont placés de façon à être déclenchés par ledit élément, l'un des disjoncteurs étant placé de façon à arrêter la course du piston-tige dans une direction ascendante lorsque la tige de suspension occupe sa position la plus élevée, un autre disjoncteur étant placé sur la ligne de déplacement du piston-tige de façon à décélérer la course descendante de la tige de. suspen- sion lorsque cette dernière approche de la limite inférieure de sa course, et un troisième disjoncteur étant placé de façon à entrer en contact avec ledit élément lorsque la tige de suspension occupe sa position la plus basse de façon à interrompre la poursuite du mouvement descendant de la tige de suspension avant le début d'une course de pompage ascendante de ladite tige. 4. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 3, caractérisé en ce que les trois disjoncteurs d'arrêt sont portés, réglables en position, sur une barre (20A) parallèle audit élément (20) du piston-tige, de façon à faire varier la course de pompage de la tige de suspension et de son chapelet de tiges de pompage associé en vue d'augmenter ou de diminuer sélectivement la course de ladite tige de suspension. 5. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole, utilisable conjointement avec une tige de suspension et un chapelet de tiges de pompage qui lui sont rattachées et qui comportent une pompe de fond de puits, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un cylindre hydraulique et son piston-tige connectés de façon à élever et à abaisser la tige de suspension; b) des organes de commande de limite supérieure et infé- rieure placés de façon à être actionnés par un élément dudit piston-tige pour obliger ledit piston-tige à élever la tige de suspension dans une direction et à l'abaisser dans l'autre direction; c) des organes capteurs hydrauliques décélérateurs sen- sibles à une limite prédéterminée de course de ladite tige de suspension; d) un premier organe sensible auxdits organes capteurs, accouplant ledit piston-tige de façon à retarder gra- duellement l'abaissement dudit chapelet de tiges de pompage au voisinage de l'extrémité inférieure de la course de la tige de suspension e) un second organe dans le circuit hydraulique avec ledit piston-tige pour maintenir le chapelet de tiges de pom- page en position inférieure pendant le laps de temps nécessaire à l'amortissement des tractions exercées sur ledit chapelet de tiges de pompage du fait de sa décélé- ration consécutive à l'action du piston-tige; f) et des organes appropriés à appliquer la totalité de la puissance élévatrice du piston- tige audit chapelet à l'expiration dudit laps de temps de façon à permettre l'application de la puissance maximale à la course ascen- dante sans risque d'une action de rupture consécutive à ces mouvements. 6. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits organes de commande de limite supérieure et inférieure sont deux dis- joncteurs d'arrêt montés, réglables en position, sur une tige avec leurs éléments de commande placés de façon à être actionnés par un élément dudit piston-tige. 7. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits organes capteurs hydrauliques décélérateurs sont constitués par un troisième disjoncteur d'arrêt monté, réglable en position, sur ladite tige entre lesdits deux disjoncteurs d'arrêt avec son élément de commande placé de façon à être actionné par un élément dudit piston-tige. 8. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit premier organe sensible auxdits organes capteurs est un organe à écoulement variable approprié à régler l'écoulement de fluide hydraulique vers ledit piston-tige en vue d'en ralentir la course et de régler la vitesse de déplacement de ladite tige de suspension. 9. Appareil de pompage en surface pour puits de pétrole selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit second organe dans le circuit hydraulique est un distributeur commandé par un relais à action différée, approprié à interrompre l'écoule- ment du fluide hydraulique en provenance du cylindre jusqu'à expiration du temps de retard dudit relais et à interdire la course ascendante de la tige de suspension jusqu'à amortis- sement des tractions exercées sur le chapelet de tiges de pompage.