Brevet FR2519095A1 — publié le 19830701

La présente invention concerne les pompes immergées et plus précisément, un dispositif de protection hydraulique du moteur électrique des groupes de pompage immergés destinés à l'extraction de liquides d'un forage. L'invention peut être utilisée avec succès dans l'industrie du pétrole, l'industrie minière, dans le batiment et dans d'autres secteurs pour l'extraction des liquides de forages. Le dispositif de protection hydraulique du moteur électrique d'une pompe immergée sert à empêcher la pénétration du liquide de fond dans liespace intérieur du moteur électrique, ce qui aurait pour effet de détériorer la robustesse d'isolement de son stator, de perturber le fonctionnement des roulements de son rotor et donc de réduire la durée de fonctionnement d'une pompe immergée descendue dans le forage. On connatt divers dispositifs pour la protection de l'espacé intérieur d'un moteur électrique contre l'action du liquide de fond (Voir par exemple le brevet US 3 854 064). Le groupe de pompage décrit dans ce brevet comprend une pompe et un moteur électrique entre lesquels est disposé un dispositif de protection hydraulique du moteur électrique. Ce dispositif de protection hydraulique comprend un isolateur et un protecteur. Ces deux parties comprennent trois chambres disposées de manière coaxiale l'une au-dessus de l'autre et séparées l'une de l'autre par des cloisons transversales et par des éléments d'étanchéité mécaniques d'un arbre qui les traverse, ces éléments d'étanchéité étant disposés au-dessus des cloisons. La chambre supérieure est placée dans l'isolateur et remplie d'un liquide intermédiaire plus lourd que l'huile de graissage du moteur électrique et que le liquide de fond. La chambre médiane et la chambre inférieure sont placées dans le protecteur et remplies de la même huile que celle remplissant le moteur électrique. Entre la chambre médiane et la chambre inférieure, il est prévu un compartiment recevant un palier axial.Les chambres sont successivement reliées entre elles à l'aide de tubes fixés sur les cloisons. Comme il a déjà été indiqué, les chambres du dispositif sont traversées par un arbre relié à l'arbre de la pompe et à l'arbre du moteur électrique au moyen d'accouplements à cannelures. Dans ce dispositif, les éléments d'étanchéité mentionnés ci-dessus comprennent deux pièces à savoir une pièce mobile et une piece fixe fixées respectivement sur l'arbre et sur les cloisons. Comme les éléments d'étant chéité sont disposés au-dessus ds cloisons, l'un d'eux est disposé dans la chambre supérieure et l'autre dans le compartiment au-dessous de la chambre médiane. Le dispositif de protection hydraulique décrit cidessus ne permet pas d'assurer une longue durée de fonctionnement du groupe de pompage immergé dans le forage, et cela pour la raison suivante. Les éléments d'étanchéité mécaniques laissent passer, entre les surfaces de contact d'étanchéité mobiles et fixes, des faibles quantités d'huile dont les fuites'se dirigent depuis l'arbre vers la surface extérieure de l'élément d'étanchéité mécanique. Donc, dans le dispositif connu, l'huile se déplace pendant le fonctionnement du moteur électrique à travers les éléments d'étanchéité mécanique depuis les chambres inférieures vers les chambres supérieures, soit depuis la chambre inférieure, vers la chambre médiane à travers le compartiment, et depuis la chambre médiane vers la chambre supérieure.Comme la chambre supérieure est remplie d'un liquide plus lourd, l'huile remonte à la surface de ce liquide, se mélange au liquide de fond et est perdue sans pouvoir être récupérée. Pour cette raison la durée de fonctionnement du groupe de pompage dans le forage est limitée et déterminée par la réserve d'huile et de liquide intermédiaire dans les chambres, cette réserve étant nécessaire à compenser les pertes d'huile et à isoler les éléments d'étanchéité mécanique contre l'action du liquide de fond. L'invention a donc'pour but de créer un dispositif de protection hydraulique du moteur électrique des groupes de pompage immergés, qui permette d'augmenter la durée de fonctionnement de ce moteur dans le forage grtce à la suppression des pertes d'huile, d'augmenter la fiabilité de fonctionnement de l'ensemble du groupe de pompage et de diminuer le nombre d'extractions du forage pour les réparations. L'invention a donc pour objet un dispositif de protection hydraulique du moteur électrique d'un groupe de pompage immergé comprenant un corps divisé par deux cloisons transversales percées de trous pour la communication et pour la traversée de l'arbre, en trois chambres supérieure, médiane et inférieure, disposées de manière coaxiale l'une audessus de l'autre et dont la chambre supérieure est remplie d'un liquide intermédiaire, tandis que la chambre médiane et la chambre inférieure sont remplies de la même huile que 1' huile du moteur électrique, et des garnitures d'étanchéité mécaniques comprenant une partie mobile et une partie fixe, ce dispositif 'étant caractérisé en ce qu'aussi bien la chambre supérieure que la chambre médiane communiquent par des tubes directement avec la partie inférieure de la chambre inférieure et les garnitures d'étanchéité des deux cloisons sont disposées dans la chambre médiane, la partie inférieure de la chambre inférieure et le tube par lequel elle communique avec la chambre supérieure étant remplis du liquide intermédiaire. L'avantage du dispositif selon l'invention consiste en ce que grâce au fait que les deux garnitures d'étanchéité mécaniques sont disposées dans la chambre médiane et que la chambre supérieure et la chambre médiane communiquent directement avec la partie inférieure de la chambre inférieure, les fuites naturelles du liquide intermédiaire depuis la chambre supérieure et les fuites dthuile depuis la chambre inférieure à travers les garnitures d'étanchéité mécaniques sont dirigées vers la chambre du milieu depuis laquelle ces fuites sont retournées par les tubes vers les mêmes chambres dont elles proviennent, de sorte qu'il n'y a ni pertes de liquide intermédiaire ni pertes d'huile dans le dispositif de protection hydraulique et que, par conséquent, la durée de fonc tionnement du groupe de pompage immergé n'est pratiquement pas limitée par ces fuites. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation du dispositif de protection hydraulique du moteur électrique d'un groupe de pompage immergé, selon l'invention, et en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente une vue de coté et en coupe d'une partie du groupe de pompage immergé comprenant le dispositif de protection hydraulique du moteur électrique d'un groupe de pompage immergé, suivant l'invention - la Fig. 2 représente à échelle agrandie ltempla- cement des garnitures d'étanchéité mécaniques dans la chambre médiane. Le groupe de pompage immergé représenté sur la Fig. 1 comprend une pompe proprement dite 1, un moteur électrique 2 et un dispositif 3 de protection hydraulique de ce moteur électrique. Il n'est pas nécessaire de donner une description détaillée de la pompe proprement dite 1 et du moteur électrique 2 puisque ce groupe de pompage peut utiliser une pompe ordinaire immergée centrifuge, à hélice ou autre et un moteur électrique immergé connu dont la cavité intérieure est remplie d'un diélectrique liquide tel que de l'huile, par exemple. Le dispositif de protection hydraulique, selon l'invention, comprend un corps cylindrique 4 divisé par des cloisons 5 et 6 en trois chambres 7, 8 et 9~respectivement supérieure, médiane et inférieure. Ces chambres sont traversées par un arbre 10 relié par des accouplements à cannelures à l'arbre de la pompe 1 et à l'arbre du moteur 2. La chambre supérieure 7 est formée par le corps 4, un fourreau de protection 11, une tette 12 et la cloison 5. L'extrémité inférieure du fourreau de protection 11 est fixée dans la cloison 5. Dans la partie inférieure du fourreau de protection 11, il est prévu au moins une ouverture 13 met tant l'espace annulaire 14 entre ce fourreau et l'arbre 10 en communication avec la chambre 7. La tête 12 est percée d'un trou 15 servant à mettre la chambre 7 en communication avec la cavité intérieure de la pompe 1. La chambre médiane 8 est formée par le meme corps 4 et les cloisons 5 et 6. Dans la chambre 8 (Fig. 1 et 2) sont montées des garnitures d'étanchéité mécaniques 16a et 16b du type à soufflet de manière que leurs parties fixes 17a et 17b (Fig .2) soient fixées respectivement dans les cloisons 5 et 6 et leurs parties tournantes 18a et 18b, sur l'arbre 10. La chambre inférieure 9 est formée par le meme corps 4, les cloisons 6 et 19 et un fourreau de protection 20. L'extrémité inférieure du fourreau 20 est fixée dans la cloison 19 et son extrémité supérieure est disposée dans la partie supérieure de la chambre inférieure 9 à proximité de la cloison 6. La partie inférieure de la chambre supérieure 7 communique avec la partie inférieure de la chambre inférieure 9 par l'intermédiaire dtun tube 21 dont l'extrémité supérieure est fixée dans la cloison 5. La partie inférieure de la chambre médiane 8 communique avec la partie inférieure de la chambre inférieure 9 par un tube 22 dont l'extrémité supérieure est fixée dans la cloison 6. La chambre inférieure 9 communique avec la cavité intérieure du moteur électrique 2 par un canal annulaire 23 formé entre l'arbre 10 et le fourreau de protection 20. La chambre médiane 8, la chambre inférieure 9, l'espace annulaire 23 et le tube 24 sont remplis d'une huile analogue à l'huile remplissant la cavité intérieure du moteur électrique 2 ou bien de la meme huile que celui-ci. La chambre supérieure 7 jusqu'au niveau 24, l'es- pace annulaire 14, le tube 21 et la partie inférieure de la chambre 9 jusqu'au niveau 25 au droit de l'.ouverture inférieure du tube 21, sont remplis d'un liquide intermédiaire qui est plus lourd que l'huile du moteur électrique et que le liquide de fond et qui ne se mélange pas à eux. La partie supérieure de la chambre supérieure 7 et le trou 15 sont remplis du liquide de fond. L'espace annulaire 14 est isolé de la partie supérieure de la chambre 7 et de la cavité intérieure de la pom pe l par une garniture d'étanchéité mécanique 26 dont la partie fixe est montée sur l'extrémité supérieure du fourreau de protection-ll et dont la partie tournante est fixée sur l'arbre 10. Sans décrire en détails le fonctionnement de l'en- semble du groupe de pompage immergé qui est généralement connu, on examine brièvement les particularités de fonctionnement du dispositif de protection hydraulique. Avant d'être descendus dans le forage, la chambre médiane 8 et la chambre inférieure 9, ainsi que le tube 22 du dispositif de protection hydraulique sont remplis d'huile, alors que la chambre 7 et le tube 21 sont remplis du liquide intermédiaire jusqu'au niveau 24. Le même liquide intermédiaire remplit la partie inférieure de la chambre inférieure 9 dans laquelle il se forme une interface de séparation 25 entre ce liquide et l'huile au droit de l'extrémité inférieure du tube 21. Lorsque le groupe de pompage immergé est descendu dans le forage et mis en marche, l'huile dans le moteur électrique s'échauffe et son volume augmente. L'huile en excès arrive par l'espace annulaire 23, la chambre 9 et le tube 21 à la chambre supérieure 7, où elle remonte au-dessus du niveau 24 et se mélange avec le liquide de fond. Lorsque le régime thermique du moteur électrique se stabilise, le volume de l'huile cesse d'augmenter et elle ne sort donc plus de la cavité intérieure du moteur par le dispositif de protection hydraulique. Les interfaces de séparation des liquides restent alors à la hauteur des niveaux 24 et 25, comme c'est montré sur la Fig. 1. Les garnitures d'étanchéité mécaniques 16a et 16b dans la chambre médiane 8 sont montées de manière que les fuites naturelles par ces garnitures, provoquées par la force centrifuge de la rotation de la partie mobile des garnitures, soient dirigées depuis la chambre supérieure 7 à travers la garniture 16a et depuis la chambre inférieure 9 & travers la garniture 16b vers la chambre médiane 8. D'autre part, toute fuite dans le sens inverse, depuis la chambre 8 vers les chambres 7 et 9 à travers lesdites garnitures 16a et 16b, sont impossibles. Grâce à ce fait, pendant le fonctionnement du groupe de pompage immergé, des faibles quantités de liquide intermédiaire arrivant à la chambre 8 depuis la chambre 7 par la garniture d'étanchéité 16a, l'ouverture 13 et le canal 27 continuent à descendre par le tube 22 vers la partie inférieure de la chambre 9.Comme la chambre 9 est completement remplie d'huile et de liquide intermédiaire, les quantités supplémentaires de liquide intermédiaire qui y arrivent déplacent de la partie inférieure de la chambre 9 les mêmes quantités de liquide intermédiaire qui se dirigent vers la chambre supérieure 7 par le tube 21. De la manière analogue, les fuites d'huile depuis la chambre 9 qui arrivent à la chambre 8 à travers la garniture d'étanchéité 16b reviennent par le tube 22 vers la partie inférieure de la chambre 9 et y remontent au-dessus du niveau 25 du liquide intermédiaire plus lourd. C'est ainsi que dans le dispositif de protection hydraulique, selon l'invention, on organise une circulation ordonnée par circuits fermés et un retour des fuites naturelles dthuile et de liquide intermédiaire, par les garnitures d'étanchéité mécaniques 16a et 16b, vers les mêmes chambres dont elles proviennent. On évite ainsi aussi bien les pertes d'huile que les pertes de liquide intermédiaire depuis le moteur électrique et son dispositif de protection hydraulique. Le sens de circulation du liquide intermédiaire et de l'huile dans le dispositif de protection hydraulique est indiqué sur les Fig. 1 et 2 par des flèches en trait continu pour le liquide intermédiaire et par des flèches en pointillé pour l'huile. Les interfaces de séparation des liquides dans les chambres 7 et 9 restent à la hauteur des niveaux 24 et 25, comme c'est indiqué sur la Fig. 1. Lorsque le groupe de pompage cesse de fonctionner, la température de ses éléments et donc celle du moteur électrique et du dispositif de protection hydraulique s'abaissent et deviennent égales à la température du liquide de fond ambiant. Ce refroidissement provoque une diminution du volume d'huile dans le moteur électrique-et dans le disposi tif de protection hydraulique.I1 en résulte que sous 1 l'ac- tion de la pression hydrostatique de la colonne de liquide dans le forage les interfaces de séparation entre l'huile et le liquide intermédiaire et entre le liquide intermédiaire et le liquide de fond (25 et 24 respectivement) se déplacent au fur et à mesure du refroidissement : la première vers le haut et l'autre, vers le bas jusqu'à ce que les températures des liquides à l'extérieur et à l'intérieur du moteur électrique et du dispositif de protection hydraulique s'égalisent et que des nouvelles interfaces (respectivement 25' et 241) s'établissent. Lorsque le groupe de pompage est remis en marche, ses éléments commencent à se réchauffer à nouveau, le volume d'huile dans le système augmente et les interfaces de séparation des 'liquides commencent à se déplacer en sens inverse. Dans le cas, où les températures de chauffage du moteur électrique et du dispositif de protection hydraulique sont, lors de cette nouvelle mise en marche, les mêmes que lors de la première, les interfaces de séparation s'établissent aux niveaux initiaux, soit 24 et 25. Si la température est inférieure a celle de la première mise en marche, alors s'établissent d'autres niveaux se trouvant respectivement entre les niveaux 25-251 et 24-241. Ces cycles de variation des niveaux d'interfaces des liquides se répetent ainsi à chaque arrêt et mise en marche du groupe de pompage. La garniture supplémentaire 26 d'étanchéité mécanique d'extrémité montée dans la chambre 7 et isolant l'espace annulaire 14 de la chambre 7 empêche la pénétration du liquide de fond dans ledit espace annulaire depuis la chambre 7 et la cavité intérieure de la pompe 1, ce qui permet d'éviter les perturbations de fonctionnement de la garniture d'étanchéité mécanique 16a provoquées par le liquide de fond pouvant contenir des impuretés différentes, y compris les impuretés mécaniques. REVENDICATION Dispositif de protection hydraulique du moteur électrique d'un groupe de pompage immergé, comprenant un corps (4) divisé par deux cloisons transversales (5 et 6) en trois chambres (7, 8 et 9), supérieure, médiane et inférieure, disposées de manière coaxiale, ces cloisons étant percées d'ouvertures pour la communication des chambres entre elles et d'ouvertures pour le passage de l'arbre (10) reliant l'arbre du moteur électrique (2) à l'arbre de la pompe (1), et dont la chambre supérieure est remplie d'un liquide intermédiaire et dont la chambre médiane et la chambre inférieure sont remplies de la même huile que le moteur électrique, et des garnitures d'étanchéité (16a, 16h) comprenant des éléments tournants et des éléments immobiles fixés respectivement sur l'arbre et sur les cloisons, caractérisé en ce que la chambre supérieure (7) et la chambre inférieure (9) communiquent par des tubes directement avec la partie inférieure de la chambre inférieure (9) et en ce que les garnitures d'étanchéité (16a et 16b) des deux cloisons sont disposées dans la chambre médiane (8), la partie inférieure de la chambre inférieure (9) et le tube (21) par lequel elle communique avec la-chambre supérieure (7) étant remplis d'un liquide intermédiaire.