Brevet FR2524576A1 — publié le 19831007

Groupe moto-pompe immergé La présente invention concerne un groupe moto- pompe immergé et plus particulièrement dans le cas d'immersion dans un puits de grande profondeur et travaillant à température élevée C'est le cas par exemple dans les puits de pétrole pompés. Le groupe moto-pompe est généralement constitué par un assemblage de plusieurs moteurs très longs, par exemple trois moteurs de huit à neuf mètres de longueur chacun, de faible diamètre, surmontés de plusieurs pompes accouplées Les moteurs sont remplis d'huile de protection par rapport au milieu extérieur, constitué par exemple par du pétrole brut mélangé de toutes les impuretés possibles Il y a donc un système d'étan- chéité entre la partie motrice remplie du fluide protecteur et la partie pompe entraînée en rotation par la partie motrice et au contact du milieu extérieur Un système connu comprend un joint dynamique, protégé par un système de labyrinthe à chambres et de déflecteurs à effet centrifuge. Cependant, chaque variation de température entraîne une variation volumique du fluide protecteur de la partie motrice, créant un mouvement de fluide dans les chambres Lors d'une élévation de température, le fluide interne est chassé vers l'extérieur dans les chambres, et rem- placé par du fluide externe lors d'une diminution de la température; au fur et à mesure, il se crée ainsi une pollution du milieu interne, ce qui limite le nombre d'arrêts et démarrages du système. La présente invention a pour but d'éviter la pollution du milieu interne à la partie motrice par le fluide extérieur et en conséquence d'assurer une durée de vie très supérieure. L'invention a ainsi pour objet un groupe moto-pompe immergé dans un puits, dans lequel la partie motrice est remplie d'un fluide la protégeant du milieu extérieur et comportant un système d'étanchéité dynamique entre la partie pompe, entraînée par ladite partie motrice et en contact avec le milieu extérieur et la partie motrice, remplie dudit fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir de compensation expansible communiquant avec la partie motrice, ledit réservoir d'expan- sion étant soumis à la pression du milieu extérieur et à l'effort d'un système de compression assurant une surpression du fluide intérieur à la partie motrice par rapport au milieu extérieur. 2- Selon une réalisation préférentielle de l'invention, ledit réser- voir expansible est situé sous la partie motrice, à son extrémité opposée par rapport à ladite étanchéité dynamique, au delà de l'extrémité de l'arbre moteur, ledit système de compression comportant un dispositif à ressort prenant appui, d'une part contre une partie fixe, liée à la carcasse de la partie motrice et l'obstruant à sa partie inférieure et d'autre part contre ledit réservoir expansible. Avantageusement, le dispositif à ressort comporte un premier res- sort et un second ressort dont les efforts s'ajoutent, s'appuyant tous les deux sur ledit réservoir expansible, ledit second ressort comprenant un dispositif de décrochage débandant ledit second ressort lorsque sa flèche, provenant de sa compression, atteint une valeur prédéterminée. L'appui des deux ressorts contre ledit réservoir expansible est réalisé par l'intermédiaire d'une pièce prenant appui sur le réservoir par l'interposition d'une butée à billes rendant ladite pièce libre en rotation. Ledit dispositif de décrochage comprend avantageusement un tube, monté sur une tige d'appui contre le réservoir, ledit second ressort s'appuyant contre un manchon en butée contre ledit tube et celui-ci étant solidarisé de la tige par l'intermédiaire d'une rangée de billes main- tenues dans une gorge de la tige et dans des logements du tube par une douille, la compression dudit second ressort jusqu'à une butée d'appui de ladite douille permettant, par coulissement de la douille sur le tube, la libération des billes de ladite gorge et le coulissement du tube sur la tige débandant ainsi ledit second ressort. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description d'un exemple de réalisation de l'invention faite ci-après en regard du dessin annexé dans lequel: La figure t montre un groupe moto-pompe selon l'invention. La figure 2 montre une vue agrandie, partiellement écorchée, d'une partie de la figure 1 consistant en un module d'étanchéité. La figure 3 montre une vue agrandie, partiellement écorchée, d'une partie de la figure 1 consistant en un module comportant un réservoir d'expansion et des moyens pour assurer une surpression du fluide dans les moteurs. -3- La figure 4 montre le module de la figure 2 en vue plus agrandie et détaillée. La figure 5 montre le module de la figure 3 en vue plus agrandie et détaillée. La figure 6 est une coupe selon VI-VI de la figure 5. La figure 1 montre donc un ensemble moto-pompe constitué par un certain nombre de modules assemblés Tel que représenté, cet ensemble comporte trois moteurs 1, 2 et 3, un séparateur de gaz 4, deux éléments de pompe 5 et 6, un module d'étanchéité supérieur 7 associé à un module inférieur 8 comportant un réservoir de compensation expansible et des moyens permettant d'assurer une surpression du fluide intérieur aux mo- teurs: de l'huile, par rapport au milieu extérieur: du pétrole brut, dans le cas de l'application de l'ensemble moto-pompe au pompage de pétrole dans un puits pompé. La partie pompe composée des éléments 5 et 6 est entradnée en rotation par l'arbre moteur de la partie motrice composée des moteurs 1, 2 et 3 et l'aspiration des pompes a lieu au niveau du séparateur de gaz 4 et est représentée par les flèches 9 sur la figure 1. En se reportant maintenant à la figure 4 on va décrire le module supérieur d'étanchéité 7 Ce module est accouplé, à sa partie infé- rieure, à l'extrémité supérieure du moteur 3 au moyen d'un accouple- ment 10 non détaillé, et à sa partie supérieure, à l'extrémité infé- rieure du séparateur de gaz 4 par des moyens d'accouplement non détail- lés 11. Le module supérieur d'étanchéité 7 est traversé par un arbre 12 provenant des moteurs et allant vers les pompes pour leur entraînement. Ce module réalise la séparation du fluide interne aux moteurs: huile, d'avec le milieu extérieur en communication avec les pompes: pétrole, au niveau de la garniture mécanique d'étanchéité dynamique qui comporte un grain fixe 13 et un grain mobile en rotation 14 Il s'agit par exemple d'une garniture mécanique compensée à soufflet métallique soudé permettant une libre dilatation de l'arbre 12. L'arbre 12 est guidé en rotation par trois coussinets 15, 16 et 17 respectivement montés dans des paliers 18, 19 et 20 et est arrêté en translation par un dispositif de butée composé de deux butées à patins 4- oscillants montés en opposition de part et d'autre d'un collet de bu- tée 21 Chaque butée comprend par exemple six patins oscillants tels que 22, montés sur leur support en forme de couronne, respectivement 23 et 24 Le collet de butée 21 est lié à l'arbre 12, en rotation par une clavette 25 et en translation par deux demi-coquilles 26 servant de butée latérale, placées dans une gorge de l'arbre 12 et maintenues par un écrou 27 vissé sur un prolongement en forme de manchon 101 du collet de butée 21 Les deux butées sont positionnées dans un tube extérieur 28 par une entretoise supérieure 29 et une entretoise inférieure 30 Les entretoises 29 et 30 sont liées angulairement aux supports de patins 23 et 24 par des pions 31 et 32 L'entretoise inférieure 30 est en appui sur le palier 18 et est immobilisée en rotation par rapport à ce palier au moyen de pions 33 Le palier inférieur 18 est vissé dans le tube extérieur 28 et l'étanchéité est assuré par un joint torique 34. Le palier 19 est vissé à l'extrémité supérieure du tube exté- rieur 28 Ce palier porte deux pions 35 poussés par des ressorts 36 qui, au moment du montage du palier 19, par vissage sur le tube extérieur 28, poussent les pions 35 dans les évidements de passage d'huile 37 de l'en- tretoise supérieure 29 Une fois que les pions sont rentrés dans ces évidements, le vissage du palier 19 entraîne dans sa rotation, l'entre- toise supérieure 29 ainsi que le support 23 et les patins 22 de la butée supérieure. Le palier 19 porte une vis 38 obturant un trou de purge 39. Le grain fixe 13 de la garniture mécanique d'étanchéité est monté dans un logement du palier 19, il est arrêté en rotation par un pion 40 et en translation par une rondelle 41 fixée sur le palier par trois vis 42. Ce module comporte en outre un dispositif de protection de la garniture mécanique d'étanchéité contre les particules solides qui peu- vent s'introduire dans la partie supérieure du module en communication avec le milieu extérieur Ce dispositif comporte d'abord trois pièces fixes soudées les unes aux autres et comprenant une bride de fixation 43 au palier 19 par des vis 44, l'étanchéité étant assuré par un joint torique 45, un tube 46 et un plateau 47 Un deuxième ensemble fixe, solidaire du palier 20, en forme de cloche vient coiffer le plateau 47 et - le tube 46, il est composé des pièces 48, 49 et d'un tube 50 L'ensemble est complété par deux déflecteurs rotatifs: un déflecteur inférieur 51, arrêté sur l'arbre par une vis 52 et portant un disque 53, agissant sur les particules solides par effet centrifuge et un déflecteur supé- rieur 54, arrêté sur l'arbre par une vis 55, l'étanchéité étant assuré par une joint torique 56 Un bouchon 57 est fixé sur le déflecteur supé- rieur 54 avec l'interposition d'un joint plat 58 par des vis 59 Un trou de purge 63 est percé dans le palier 20 jusque dans la chambre B formée par la pièce 48 Ce trou est bouché par un bouchon de purge 65. Le palier supérieur 20 est vissé sur un tube extérieur 60 lui-même vissé sur le palier intermédiaire 19 Les paliers 18, 19 et 20 sont arrêtés en rotation par rapport aux tubes extérieurs 28 et 60 par des goupilles 61. L'arbre 12 est creux et possède au dessous du grain fixe 13 de la garniture mécanique d'étanchéité des trous de communications 62 pour tous les passages d'huile Pour ne pas alourdir la figure, les pointillés n'ont pas été représentés sauf sous la butée montrant les passages d'huile dans l'entretoise inférieure 30. On va maintenant décrire le module inférieur 8 dont le but est d'assurer une réserve d'huile et de créer une surpression de l'huile dans les moteurs par rapport au milieu extérieur, assurant ainsi un excellent fonctionnement du module d'étanchéité supérieur 7 et en particulier de la garniture mécanique d'étanchéité 13, 14 et permettant une longue durée de vie du groupe moto-pompe. Les variations volumiques de l'huile dans les moteurs sont compen- sées par la dilatation ou la contraction d'un réservoir expansible 66. Ce réservoir est constitué par l'assemblage d'un ou plusieurs soufflets métalliques soudés Chaque soufflet comporte une bride d'assemblage mâle 67 et une bride d'assemblage femelle 68 La bride femelle 68 du soufflet supérieur est fixé par des vis 69 à une pièce support 70 centré dans un tube carcasse extérieur 71, et bloqué par un écrou 72 vissé dans le tube L'écrou 72 est fendu et comporte une vis de freinage 73 Un joint torique 74 assure l'étanchéité entre le tube 71 et la pièce sup- port 70 De même, un joint torique 75 assure l'étanchéité entre deux soufflets successifs et à l'extrémité supérieure comme on le voit sur la 6- figure, entre le dernier soufflet et la pièce support 70. La bride mâle 67 du soufflet inférieur est fixée à un fond de réservoir 76 par des vis 77 L'étanchéité entre la bride 67 et le fond 76 est réalisée par un joint torique 75 Un joint plat 78 est placé sous les têtes de vis 77. Le fond de réservoir 76 réalise la séparation entre le réser- voir 66 et le milieu extérieur: du pétrole brut, lorsque l'ensemble est descendu au fond du puits. Une surpression du milieu interne est assurée grâce à la poussée d'un premier ressort 79, extérieur, et d'un second ressort 80, inté- rieur, appliquée sur une pièce d'appui intermédiaire 81 et transmise au fond du réservoir 76 par l'intermédiaire d'une butée double à billes 82. La pièce d'appui intermédiaire 81, avec la butée 82 permettent de ne pas contraindre en torsion le réservoir 66 lors de la compression des ressorts. La poussée du ressort intérieur 80 est transmise à la pièce d'appui intermédiaire 81 par un dispositif de décrochage permettant de débander le ressort 80 lorsque son effort de compression atteint une limite pré- déterminée Ce dispositif comprend une tige 83 transmettant la poussée du ressort 80 à la pièce d'appui intermédiaire 81 Sur cette tige 83 est montée un tube coulissant 84 qui est solidarisée de la tige 83, en translation, par des billes 85 situées dans des logements du tube et maintenues dans une gorge 86 de la tige 83 par une douille 87 mise en butée contre une rondelle 88 grâce à un ressort 89 La rondelle 88 est arrêtée sur la tige 83 par un circlip 90 La charge du ressort intérieur est transmise au tube coulissant 84 par un manchon 91 en butée contre le tube 84 Un joint racleur 92 est monté à l'extrémité supérieure du tube 84. Le ressort extérieur 79 est guidé entre le tube carcasse 71 et un tube 93 et s'appuie sur une rondelle 94 centrée sur le tube 93 et arrêtée contre un épaulement 94 A du tube 93 Le ressort intérieur 80 est guidé entre le tube 93 et un tube 95 et s'appuie sur un bloc support 96 qui positionne les tubes 93 et 95 Ce bloc support 96 est centré dans le tube carcasse 71 et il est bloqué par un écrou 97 fendu et freiné par une vis 98 L'ensemble du module est fermé par un bloc d'extrémité 99. 7- Le tube 93 porte à son extrémité haute un flasque 100 servant de guide pour la tige 83. L'extrémité supérieure du tube 95 sert de butée pour la douille 87 lorsque le réservoir 66 s'allonge, comprimant les ressorts 79 et 80. C'est ainsi que s'opère, comme on va l'expliquer lors du fonctionnement, le décrochage du ressort intérieur 80, par coulissement de la douille 87 sur le tube 84, permettant la libération des billes 85 désolidarisant ainsi le tube 84 de la tige 83. Ce module 8 est situé à l'extrémité inférieure du groupe moto-pompe au delà de l'extrémité de l'arbre moteur et est vissé au module voisin situé au dessus, par exemple au moteur 1. Le remplissage et la descente dans le puits se font de la manière sui- vante: les moteurs 1, 2 et 3 et les modules 7 et 8 sont assemblés, la purge 39 du module d'étanchéité 7 est ouverte L'ensemble des modules est à la pression atmosphérique Le réservoir expansible 66 est entièrement comprimé sous l'action combinée des ressorts 79 et 80 On remplit les moteurs et le module 8 d'huile qui coule jusqu'au fond 76 du réservoir expansible 66 L'huile est introduite par le module d'étanchéité 7 à la partie supérieure de son arbre creux 12 dans le trou de l'arbre L'huile monte jusqu'au niveau de la garniture d'étanchéité 13, 14 remplissant les moteurs et toutes les cavités et canaux du module 7 jusqu'à la purge 39 La pression Pl dans le réservoir expansible 66 dépend de la densité d de l'huile et de la hauteur de la colonne d'huile depuis le fond 76 du réservoir 66 jusqu'à la garniture d'étanchéité 13-14 Au niveau de la garniture d'étanchéité, la pression P 2 est la pression atmosphérique. La pression Pl sur le fond 76 du réservoir 66 comprime les ressorts 79 et 80 et le réservoir s'étend jusqu'à ce que l'équilibre soit réalisé entre la charge des ressorts et l'effort exercé sur le fond 76 par la pression Pl. On ferme alors la purge 39 avec son bouchon 38 On remplit égale- ment les cavités repérées A, B, C, par le trou 63, le bouchon 65 étant 8 té, on laisse dégazer et on referme On assemble alors les pompes. On descend ensuite cet ensemble dans le puits, l'air qui envelop- pait le réservoir expansible 66 est alors remplacé par le fluide exté- -8- rieur rencontré, la pression extérieure est donc croissante et transmise au milieu interne par le réservoir expansible 66 ainsi que la température qui croit au fur et à mesure de la descente dilatant l'huile contenu dans les moteurs et provoquant l'allongement du réservoir expansible 66. La pression interne au réservoir 66 est égale à la pression exté- rieure, due à la colonne de fluide au-dessus du fond 76 du réservoir, plus à la pression due à la poussée des ressorts La surpression interne par rapport au milieu externe est donc égale à la pression due à la poussée des ressorts Cette poussée est proportionnelle à l'écrasement des ressorts. Le système de décrochage décrit plus haut permet de limiter à une valeur prédéterminée la surpression Ce décrochage fonctionne de la façon suivante Le réservoir 66 se dilatant sous l'effet de l'accrois- sement de la température, il arrive un moment o la douille 87 vient prendre appui contre l'extrémité haute du tube 95, cette douille coulisse alors sur le tube 84 en comprimant le ressort 89 ce qui permet aux billes 85 de sortir de la gorge 86 désolidarisant le tube 84 de la tige 83 et permettant au ressort intérieur 80 de se débander par coulis- sement du tube coulissant 84 sur la tige 83 La surpression est alors donnée uniquement par le ressort extérieur 79 calculée pour que la sur- pression limite admissible ne soit jamais atteinte. Le dispositif selon l'invention, dans lequel le fluide interne est en surpression et comporte une réserve expansible, permet ainsi d'absor- ber toute variation volumique du milieu interne sans risque de pénétra- tion du milieu externe, autorisant un nombre de cycles, arrêts-démar- rages, très importants La surpression assure en outre un excellent fonctionnement de la garniture mécanique 13, 14 du module d'étan- chéité 7 Le deuxième ressort interne 80 permet, alors que la pression extérieure est encore l'atmosphère de soutenir la colonne d'huile inté- rieure, tout en maintenant le réservoir expansible 66 dans une expansion limitée puis de permettre sa dilatation par la suite au cours de la descente; lors du décrochage, le poids de la colonne d'huile est compen- sée par la pression extérieure d e à la hauteur de fluide au dessus du fond de réservoir 76 et qui est à peu près égale du côté interne et externe de ce fond à la différence près, due à la différence de densité 9- de l'huile interne par rapport à la densité du fluide extérieure, sur une hauteur égale à la hauteur du fluide interne La raideur du ressort extérieur 79 est beaucoup plus faible que celle du ressort intérieur 80 et permet, au cours du fonctionnement, d'assurer la surpression désirée dans une limite inférieure à la limite admissible pour les soufflets. A titre non limitatif, on donne ci-après un exemple chiffré ressort intérieur 80: charge maximale 320 kg pour une flèche de 550 mm ressort extérieur 79 charge maximale 300 kg pour une flèche de 1130 mm surface du fond 76 de soufflet: 102 cm 2 densité de l'huile d: 0,873 à 200 C coefficient de dilatation de l'huile: pour un CïT de 1300: 9,5 %. Au départ, avant de remplir les moteurs d'huile, le réservoir est complètement comprimé par les ressorts qui ont une précontrainte de 151 mm pour le ressort extérieur et 110 mm pour le ressort intérieur. On verse alors 71 litres d'huile ce qui provoque une expansion du réservoir 66 de 1 dm 3 La colonne d'huile est alors de 28 m, ce qui donne une pression sur le fond de 2,44 bars soit 245 kg. Au cours de la descente, la température croit, le réservoir se dilate et la pression augmente Par le système de décrochage, on limite cette pression à 4,5 bars soit 450 kg; le ressort extérieur supportant alors ces 450 kg moins les 320 kg de charge maximale du ressort intérieur soit 130 kg Une fois le décrochage, la pression est donc de 1,3 bars, et le réservoir contient 3,5 dm 3 d'huile, il s'est allongé de 340 mm On continu la descente jusqu'au fond. On met en route les moteurs et pour un fonctionnement à 1500 les 71 litres d'huile se dilatent jusqu'à 78 litres et il y a donc 8 litres d'huile dans le soufflet qui peut se dilater jusqu'à 10 litres Avec 8 litres, et une fuite de 0,5 cm 3/h à la garniture d'étanchéité du module 7, on a une réserve d'huile de 1600 heures. Bien entendu, l'exemple donné n'est qu'illustratif. De même, l'application indiquée dans le texte du groupe moto-pompe au pompage de pétrole n'est pas limitatif. - REVENDICATIONS 1/ Groupe moto-pompe immergé dans un puits dans lequel la partie motrice ( 1, 2, 3) est remplie d'un fluide la protégeant du milieu extérieur et comportant un système d'étanchéité dynamique ( 13, 14) entre la partie pompe ( 4, 5, 6) entraînée, par ladite partie motrice et en contact avec le milieu extérieur et la partie motrice, remplie dudit fluide, caracté- risé en ce qu'il comprend un réservoir de compensation expansible ( 6) communiquant avec la partie motrice, ledit réservoir d'expansion étant soumis à la pression du milieu extérieur et à l'effort d'un système de compression ( 79, 80) assurant une surpression du fluide intérieur à la partie motrice par rapport au milieu extérieur. 2/ Groupe moto-pompe immergé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réservoir expansible est situé sous la partie motrice, à son extrémité opposée par rapport à ladite étanchéité dynamique, au delà de l'extrémité de l'arbre moteur, ledit système de compression comportant un dispositif à ressort ( 79, 80) prenant appui, d'une part contre une partie fixe ( 99), liée à la carcasse de la partie motrice et l'obturant à sa partie inférieure et d'autre part contre ledit réservoir expansible. 3/ Groupe moto-pompe immergé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif à ressort comporte un premier ressort ( 79) et un second ressort ( 80) dont les efforts s'ajoutent, s'appuyant tous les deux sur ledit réservoir expansible, ledit second ressort comprenant un dispositif de décrochage débandant ledit second ressort lorsque sa flè- che, provenant de sa compression, atteint une valeur prédéterminée. 4/ Groupe moto-pompe immergé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'appui des deux dits ressorts contre ledit réservoir expansible est réalisé par l'intermédiaire d'une pièce ( 81) prenant appui sur le réser- voir par l'interposition d'une butée à billes ( 82) rendant ladite pièce libre en rotation. 5/ Groupe moto-pompe immergé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de décrochage comprend un tube ( 84) monté sur une tige ( 83) d'appui contre le réservoir, ledit second ressort ( 80) s'appuyant contre un manchon ( 91) en butée contre ledit tube et celui-ci étant solidarisé de la tige par l'intermédiaire d'une rangée de billes ( 84) maintenues dans une gorge ( 86) de la tige et dans des il - logements du tube par une douille ( 87), la compression dudit second ressort jusqu'à une butée d'appui ( 95) de ladite douille permettant, par coulissement de la douille sur le tube, la libération des billes de ladite gorge et le coulissement du tube ( 84) sur la tige ( 83), débandant ainsi ledit second ressort ( 80).