Brevet FR2516012A1 — publié le 19830513

La présente invention se rapporte à une tige de pompage perfectionnée fabriquée en matière plastique et, plus particulièrement, à une tige de pompage en matière plastique renforcée par des fibres, les filetages à chaque extrémité de cette tige de pompage étant de solidité améliorée et les fibres franchissant de manière ininterrompue la zone de crête des filets L'invention concerne en outre un procédé pour la fabrication d'une telle tige de pompage perfectionnée. On fabrique depuis un certain temps des tiges de pompage renforcées par des fibres mais, par suite des restrictions propres aux produits existants, ces tiges n'ont pas été utilisées de manière universelle dans l'industrie pétrolière Des tentatives faites pour fabriquer des tiges de pompage renforcées par des fibres et présentant des tarau- dages et des filetages formés dans la masse, dont la solidité soit égale à celle du corps de la-tige, se sont avérées infruc- tueuses En outre, il est malaisé de pratiquer un taraudage dans une tige de pompage en stratifié de résine armée de fibres de-verre ou dans des tiges de pompage renforcées par des fibres d'autres types, étant donné que l'usinage sectionne les fibres de renforcement et affaiblit les structures dans une mesure telle que les filets se rompent en service, ce qui ate à la tige toute valeur d'élément d'accouplement. Pour surmonter cette difficulté, on a utilisé dans d'autres cas, des tiges de pompage en matière plastique et en fibre de verre équipées d'éléments métalliques d'accou- plement fixés à chacune des extrémités de la tige Ce procédé n'a pas rencontré un succès universel à cause du manque d'uniformité et de fiabilité, ainsi que par suite d'une augmentation des coûts de fabrication De plus, les parties métalliques peuvent être fixées seulement aux fibres super- ficielles de la tige, ce qui ne tire pas profit de la solidité principale du faisceau de fibres de ladite tige De surcroît, le fort coefficient de friction caractérisant les matières plastiques renforcées par des fibres surmonte la difficulté d'un'dévissage d'éléments métalliques survenant en cours de service par suite de leur faible coefficient de friction Les éléments métalliques d'ajustement assujettis à la tige provoquent en outre une augmentation du poids des tiges et de leur propension à la corrosion. La présente invention a pour objet de pallier ces difficultés et de proposer une tige de pompage en matière plastique renforcée uniformément par des fibres, qui soit d'une solidité égale dans ses zones filetées et dans son corps principal La tige de pompage proposée par l'invention se caractérise par un faible poids, par une bonne résistance à la corrosion et par une structure qui n'est pas susceptible de faire prématurément défaut par un éraflement ou une érosion superficielle. Une autre caractéristique de la présente inven- tion consiste à proposer un procédé de moulage et de formage d'une tige dotée de zones extrêmes à filetages mâle et femelle, dans lequel une quantité prédéterminée de fibres est conve- nablement répartie à l'intérieur de la tige de pompage achevée. L'invention a encore pour objet de proposer un procédé de moulage d'une tige de pompage en matière plastique renfermant des filaments continus, dans lequel les filaments sont repoussés vers l'intérieur des crêtes des extrémités filetées. L'invention vise en outre à proposer une tige de pompage perfectionnée en matière plastique renforcée par des fibres et dont les régions extrêmes filetées ont une résistance sensiblement égale à celle du corps de la tige. Un autre objet de l'invention consiste à réduire les coûts élevés d'expédition de tiges métalliques qui doivent être expédiées sur des palettes spéciales pour empêcher ces tiges de se toucher mutuellement La tige perfectionnée renforcée par des fibres conformément à la présente invention peut être expédiée, sous la forme d'un faisceau maintenu par des bandes, moyennant des frais d'expédition normaux. La tige de pompage de l'invention est fabriquée en une matière plastique présentant des brins ininterrompus de fibres de renforcement noyés'dans cette matière plastique, les fibres étant disposées à l'intérieur de la tige achevée de telle sorte qu'elles soient contiguës à la surface péri- phérique circonférentielle de ladite tige dans les régions adjacentes de chacune des extrémités de cette dernière, si bien que les filets ménagés sur les extrémités de ladite tige renferment des fibres longitudinales ininterrompues Il en résulte un agencement dans lequel la solidité des filetages est notablement accrue par comparaison avec la solidité obtenue selon le procédé connu consistant à fixer des extrémités métalliques sur des tiges de pompage qui comportent des fibres de verre Le procédé proposé par l'invention pour fabriquer la tige de pompage perfectionnée consiste tout d'abord à saturer des brins flexibles de fibres de renforcement à l'aide d'une résine liquide thermodurcissable; puis à positionner les brins de fibres saturés dans la cavité inférieure d'un mou- le formé de deux ou plusieurs parties; fermer ce moule tout en maintenant les brins de fibres adjacents à la paroi de la cavité du moule; à insérer des outils de repoussage dans chacune des extrémités de la cavité du moule afin de déplacer les brins vers l'extérieur en direction de la paroi de cette cavité dans la région dans laquelle les filetages sont ménagés aux extrémités de la tige de pompage; à ajouter une composition de résine supplémentaire dans le moule; et à faire durcir la matière plastique à l'intérieur du moule sous l'action de la chaleur et d'une pression, pour ensuite séparer les parties du moule afin d'enlever la tige de pompage, les brins de renforcement étant alors maintenus ininterrompus dans la zone de crête des filets formés pour atteindre une résistance uniforme à la tension de la tige ainsi obtenue. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle- ment limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation d'une tige de pompage perfectionnée en matière plastique selon la présente invention, illustrant la configuration externe et montrant par des pointillés l'agencement dues fibres de renforcement les figures 2, 3 et 4 sont des coupes selon les lignes 2-2, 3-3 et 4-4 de la figure 1, respectivement, illus- trant la position préférée des fibres de renforcement dans la tige de pompage achevée; la figure 5 est une vue schématique représentant en coupe une auge et illustrant des brins de fibres tirés à travers cette auge, ainsi qu'un moyen pour saturer ces brins à l'aide d'une résine liquide thermodurcissable la figure 6 est une vue en plan de la partie inférieure d'un moule en deux parties pour former-la tige de pompage, l'intérieur de ce moule comportant une cavité qui délimite la configuration externe de la tige de pompage achevée, la figure montrant - en outre les brins de fibres saturés positionnés dans la cavité de ladite partie inférieure du moule; la figure 7 est une coupe fragmentaire à échelle agrandie de l'une des zones extrêmes d'un moule en deux parties dont les moitiés inférieure et supérieure sont jointes, la figure montrant en outre l'agencement des fibres à l'intérieur du moule dans la région de ce dernier dans laquelle les file- tages mâles doivent être formés la figure 8 est une vue en élévation représentant le moule en deux parties dont les moitiés supérieure et infé- rieure sont jointes, illustrant en pointillé la cavité de ce moule et montrant les outils de repoussage qui sont utilisés en vue d'être introduits dans-les extrémités dudit moule pour déplacer les fibres de renforcement contre les surfaces de ce-moule, de façon qu'elles soient retenues dans les zones de crête des filetages mâles et femelles; la figure 9 est une vue en élévation dudit moule représentant la circulation, dans ce dernier, du fluide de chauffage servant à durcir la résine thermodurcissable à l'intérieur dudit moule; et la figure-10 illustre la partie inférieure du moule dont la partie supérieure a été enlevée, et montre la tige de pompage achevée. On se référera tout d'abord aux figures 1 à 4 qui illustrent la tige de pompage perfectionnée en matière plastique selon la présente invention Cette tige de pompage, portant globalement la référence numérique 10, est de confi- guration externe analogue à celles de tiges de pompage qui ont été fabriquées jusqu'à présent et utilisées dans l'industrie du pétrole Typiquement, les tiges de pompage ont une longueur d'environ 7,62 m et un diamètre externe maximal, dans la zone de leurs éléments d'accouplement, d'environ 3,8 cm ou moins. Ces tiges de pompage sont utilisées pour imprimer un mouvement de pompage, à partir d'un dispositif de pompage placé sur la surface du sol, à une pompe de fond de puits Ainsi, ces tiges effectuent un mouvement alternatif de haut en bas à l'intérieur d'un tube Pour faire monter une colonne de fluide du fond d'un puits jusqu'à la surface du-sol afin de provoquer le pompage de ce fluide jusqu'à la surface, les tiges de pompage doivent résister à de grandes charges de tension La tige de pompage la plus couramment utilisée actuellement dans l'indus- trie est fabriquée en acier ou en alliages d'acier Elle est - toutefois sujette à la corrosion et, dans de nombreuses condi- tions de forage, les tiges de pompage en acier ont une longévité relativement faible Pour y remédier, les constructeurs ont fr- brilué des tiges de popn 1 agc en des alliages qui ont une propension moindre à la corrosion, mais ces tiges de pompage en alliages impliquent des prix prohibitifs La présente invention propose une tige depompage qui est pour l'essentiel insensible à la corrosion et qui comporte d'autres avantages par rapport aux tiges de pompage en acier ou en d'aautres alliage. La tige 10 présente un corps 12 allongé, rectiligne et cylindrique A l'une de ses extrémités, se trouve une partie saillante ou mâle portant globalement la référence 14 et, à son autre extrémité, il y a une partie creuse ou femelle repérée globalement par la référence 16 Avec ce type de réalisation (qui est typique pour la construction de certains modèles de tiges de pompage en acier), les tiges peuvent être assemblées par vissage sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des organes distincts d'accouplement Auparavant, les tiges de pompage en acier ont été fabriquées de cette manière Au cours des années récentes cependant, les tiges de pompage en acier les plus courantes ont été munies d'un filetage mâle à chacune de leurs extrémités et l'on a utilisé un élément femelle rapporté d'accouplement pour solidariser ces tiges L'avantage de la tige du type illustré sur la figure 1 est qu'elle ne nécessite aucun dispositif distinct d'accouplement. L'extrémité mâle 14 présente une tête élargie 18 dotée d'une face annulaire plane 18 A qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tige Cette tête 18 possède des méplats 20 (représentés sur la figure 3) qui constituent des moyens pour engager une clé sur l'extrémité de la tige de façon à la serrer sur une tige voisine. A l'avant de la-tête 18, se trouve une partie mâle 22 dont la surface extérieure présente des filets L'extrémité femelle 16 est pourvue d'une région - 24 de diamètre externe agrandi Cette extrémité femelle comporte des méplats opposés 28 sur les-côtés opposés de la région cylindrique 24 de plus grand diamètre. Des filets internes 30 sont ménagés à l'intérieur de la région cylindrique 24 pour recevoir les filets mâles d'un tronçon adjacent de tige de pompage Une face extrême 24 A de la région 24 est annulaire et se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de la tige de pompage. Lorsqu'une extrémité à filetage mâle du tronçon adjacent de tige est vissée dans l'extrémité femelle 16 (extrémité creuse), la face annulaire mâle 18 A vient buter hermétiquement contre la face annulaire femelle 24 A pour éviter de manière sûre tout jeu dans le joint fileté destiné à solidariser deux tiges l'une à l'autre. La tige de pompage décrite jusque-là est analogue à des tiges de pompage métalliques connues auparavant Cepen- dant, une caractéristique importante et distinctive de la tige de pompage selon la présente invention est que cette tige est en une matière non métallique (c'est-à-dire une matière plas- tique) et, ce qui est le plus important, cette tige est douée d'une plus grande solidité grâce au fait qu'elle présente des brins longitudinaux 32 de fibres souples de renforcement, représentés par des pointillés sur les figures 1 à 4 Ces brins 32 de fibres s'étendent de préférence sur toute la longueur de la tige de pompage et la caractéristique la plus notable de la présente invention réside dans le fait que ces brins 32 sont agencés de façon à être contigus à la surface périphé- rique extérieure des filets de la partie mâles 22 et des filets internes ou femelles 30 Spécifiquement, lesdits brins 32 de fibres s'étendent à l'intérieur des crêtes des filets qui forment la partie filetée mâle 22 et le filetage, femelle Dans ces conditions, les fibres sont imbriquées les unes dans les autres selon une configuration ininterrompue de filets qui ont une solidité égale à celle du corps de la tige Par le passé, comme mentionné ci-avant, les tentatives pour fabri- quer des tiges de pompage en matière plastique n'ont pas été couronnées d'un grand succès, car le procédé le plus couram- ment utilisé consistait à fixer des extrémités métalliques filetées à une tige renforcée par introduction de fibres Même -en utilisant une grande quantité de brins fibreux de renfor- cement pour former la tige de pompage, le problème du raccordement de cette tige avec une pleine résistance à la tension' est resté sans solution jusqu'à présent. Comme illustré sur le S figures 2 et 4, les brins 32 de fibres de renforcement se trouvent dans des zones de crête 22 A des filets de la partie mâle 22 et dans des zones de crête 30 A des filetages femelles 30 De ce fait, ces brins sont concentrés à proximité de la surface externe de la tige de pompage, au moins dans les régions formant l'extrémité mâle 14 et l'extrémité femelle 16 On constate que, si on le souhaite, des brins supplémentaires de fibres peuvent être placés dans les régions internes de'la tige de pompage, bien qu'ils ne soient pas illustrés sur les dessins Toutefois, l'invention ne se borne pas à insérer des brins de renforce- ment dans des tiges de pompage en matière plastique, mais elle propose de les insérer de façon à augmenter notablement la résistance de ces tiges à la tension en dotant lesdites ti- ges de brins s'étendant sur toutes leurs zones mâles et femelles Ces brins se situent dans les plans passant par l'axe longitudinal de la tige 10. Il convient à présent de décrire, à l'appui des figures 5 à 10, un procédé de fabrication de la tige de pompage perfectionné selon la présente invention La première étape de ce procédé consiste à saturer un faisceau de brins de fibres à l'aide d'une résine thermodurcissable, comme illustré sur la figure 5 Une auge 34 renferme une certaine quantité de résine liquide thermodurcissable et catalysée 36 Au moyen de rouleaux 38, un faisceau de brins 32 de fibres souples de renforcement peut être soumis à une traction en traversant le liquide 36, ce qui fait que les brins sont totalement saturés par la résine thermodurcissable. La figure 6 montre la partie inférieure d'un moule fendu en deux parties utilisé pour former une tige de pompage selon l'invention, la partie supérieure de ce moule ayant sensiblement la même configuration que sa partie inférieure. Quand lesdites parties sont jointes, elles donnent naissance à une cavité de moulage qui détermine la silhouette externe d'unpe tige achevée Une moitié inférieure 42 du moule est ouverte et l'on y place le faisceau de brins 32 Une moitié supérieure 44 de ce moule est ensuite disposée sur sa partie inférieure (comme le montre la figure 8) et une légère tension est en même temps exercée sur les brins 32 Comme on le voit sur la figure 7, les extrémités des fibres sont rabattues Ensuite, un outil mâle de repoussage 46 est introduit dans l'extrémité ouverte du moule formée par les moitiés 42 et 44 Cet outil mâle de repoussage 46 est conformé de façon à épouser intime- ment la forme de la région de la cavité de moulage formant les filetages mâles sur la tige de pompage achevée Ledit outil 46 sert à déployer les fibres de façon qu'elles jouxtent la surface de la cavité Ces fibres; qui ont été saturées par la résine liquide thermodurcissable, conservent leur position contiguë à la surface périphériques de la cavité, + et-l'outil mâle de repoussage 46 est maintenu dans cette position à l'intérieur du moule jusqu'à ce que la résine thermodurcissable se soit réticulée et durcie pour prendre Une consistance solide Après ce durcissement, l'outil mâle est enlevé et la cavité qu'il laisse derrière lui est munie d'un bouchon,ou bien on utilise une résine de moulage pour combler le vide. D'une manière analogue, un outil femelle de repous- sage 48 est introduit dans l'extrémité ouverte du moule pour 16012 épouser intimement la forme du filetage interne (femelle) de l'extrémité creuse de la tige de pompage Cet outil femelle de repoussage a également pour fonction de déployer les brins de fibre de façon que ces brins s'étendent à l'intérieur de la zone qui forme la crête des filets femelles Une composi- tion de matière plastique supplémentaire est ajoutée au moule, une pression est exercée et, comme le montre la figure 9, un fluide de chauffage est mis en circulation à l'intérieur dudit moule en empruntant un tube 50. L'étape destinée à faire durcir la matière plastique à l'intérieur du moule consiste à utiliser de a vapeur pour obtenir un transfert rapide de chaleur puis, une fois la vulcanisation achevée, à refroidir le mnoule rapidement avec de l'eau pour permettre un enlèvement et une manutention rapides de la tige. Après le durcissement de l résine dans le moule, les moitié ou parties de ce dernier sont sëparées et 1 'on enlève la tige de pompage achevée De même, on enlève l'outil inséré qui forme les filetages femelles 30 La tige de pompage est ainsi moulée avec ses filetages mâle et S Eemelle sans nécessiter aucune opération d'usinage pour produire ces filetages De la sorte, les fibres de renforcement sont maintenues intactes, si bien qu'elles confèrent une totale résistance à la tension sur toute la longueur de la tige, y compris la zone critique des filets. En vue de donner une solidité supplémentaire à l'extrémité creuse ou extrémité femelle, la région cylindrique 24 peut être enveloppée pour présenter une solidité radiale. Les brins 32 peuvent être formés par des fibres de renforcement telles que des fibres de verre, de métal, d'aramide, de carbone, de graphite, de bore ou des mélanges de ces fibres La résine thermodurcissable dont les tiges de pompage peuvent être constituées et la résine dans laquelle les fibres sont saturées lors d'une étape de fabrication des tiges de pompage peuvent être du type époxyde, polyester, ester de vinyle et substances analogues La température et la pression auxquelles les résines sont respectivement exposées et soumises pendant leur durcissement dépendent de la nature de la matière plastique et elles sont bien connues des spécialistes de la fabrication des produits à base de matières plastiques thermodurcissables. La température et la pression sont respectivement appliquée et exercée selon un ordre séquentiel approprié. La tige de pompage achevée présente des avantages remarquables vis-à-vis des procédés connus de fabrication de telles tiges et, en particulier, elle a une résistance à la tension considérablement améliorée dans les régions de ses filetages mâle et femelle, tout en bénéficiant d'une protection totale contre la corrosion à l'encontre de tous les liquides rencontrés dans les exploitations de puits pétro- liers Elle élimine de surcroît le problème de l'électrolyse. Bien que la présente invention ait été décrite dans une certaine mesure de manière spécifique, il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux détails de réalisation et à l'agencement des composants, sans sortir du cadre de l'invention Cette dernière ne se limite pas aux seuls détails des exemples de réalisation présentés cidessus, mais englobe la gamme complète des équivalents de chaque élément ou de chaque étape décrits. -160 '1 ' il REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication, a l'aide d'un moule, d'une tige de pompage en matière plastique renforcée par des fibres et comportant une région filetée à chacune de ses extrémités, procédé caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à positionner plusieurs brins de fibres souples de renforcementpréalablement saturés par de la résine, dans l'une des moitiés d'un moule fendu en deux ou plusieurs par- ties qui, lorsqu'il est fermé, comporte une cavité déterminant la confi-' guration externe de la tige de pompage achevée; à maintenir lesdits brins à proximité de la paroi du moule dans les zones de ce dernier correspondant aux régions extrêmes filetées, tout en ajoutant une composition de résine supplémentaire de résine dans ce moule; à fermer ledit moule; à faire durcir la matière plastique à l'intérieur de ce moule; et à dissocier les moitiés dudit moule pour enlever ladite tige de pompage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape consistant à maintenir les brins à proximité de la paroi du moule comprend l'étape selon laquelle des outils de repoussage sont introduits dans les extrémités du moule pour déplacer les brins de fibres vers l'extérieur en les obligeant, par la pression exercée par lesdits outils, à épouser la forme de chaque région extrême filetée. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape consistant à fairedurcir la matière plastique à l'intérieur du moule consiste à utiliser de la vapeur pour obtenir un transfert rapide de la chaleur, puis, une fois le durcissement achevé, à refroidir le moule rapidement avec de l'eau pour permettre un enlèvement et une manutention rapides de la tige de pompage. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à maintenir dans la tige les brins tendus à proximité du moule. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape de durcissement de la matière plastique à l'intérieur du moule consiste à appliquer de la chaleur et à exercer une pression selon un ordre séquentiel approprié. 6 Procédé de fabrication d'une tige de pompage en matière plastique renforcée par des fibres et présentant une région extrême saillante à filetage mâle à l'une de ses extrémités et une région extrême creuse à filetage femelle à son extrémité opposée, en utilisant un moule comprenant des parties supérieure et inférieure dont les cavités exercent, lorsque le moule est à l'état assemblé, une pression sur la configuration externe de la tige de pompage, procédé caracté- risé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à saturer des brins de fibres flexibles de renforcement avec une résine liquide thermodurcissable; à positionner les brins de fibres saturés dans la cavité d'une partie inférieure du moule; à ajou- ter une composition de résine supplémentaire; à fermer les - parties supérieure et inférieure dudit moule tout en maintenant les brins de fibres adjacents à la paroi de la cavité du moule dans les régions extrêmes respectivement saillante et creuse à introduire des outils de repoussage dans chacune des extrémités dudit moule, afin de déplacer les brins vers l'extérieur en direction de la cavité de moulage pour qu'ils épousent la forme des filetages des régions filetées dans ce moule; à faire durcir la matière plastique à l'intérieur dudit moule; et à dissocier les parties de ce moule pour enlever la tige de pompage ainsi formée. 7 Tige de pompage perfectionnée en matière plas- tique, caractérisée par le fait qu'elle présente un corps allongé ( 12) fabriqué en matière plastique et renfermant plusieurs brins ( 32) de fibres de renforcement, ce corps comportant une région filetée ( 14; 16) à chacune de ses extrémités, les brins ( 32) de fibres dans ces régions filetées étant ininterrompus et disposés pour l'essentiel dans les plans pas- sant par l'axe longitudinal de l a tige de pompage, tous ces - brins de fibres s'étendant à l'intérieur des limites des confi- gurations et des zones de crête ( 22 A, 30 A) des filetages ( 22, ); 8 Tige de pompage-perfectionnée selon la revendi- cation 7, présentant une région extrême saillante ( 14) à filetage mâle à l'une de ses extrémités et une région extrême 160 12 creuse ( 16) à filetage femelle à son autre extrémité, tige caractérisée par le fait que les brins ( 32) de fibres s'étendent dans les limites des régions de diamètre externe agrandi formant les filets mâles, et des régions de diamètre interne réduit formant les filets femelles.