Brevet FR2526496A1 — publié le 19831110

La présente invention concerne le pompage de puits tels que des puits de pétrole et, plus particuliè- rement, un ensemble de pompage de puits de pétrole ayant un débit de production ajustable, avec une course par mi- nute de grande longueur, de courte longueur. Depuis de nombreuses années, on procède au pompa- ge des puits de pétrole avec une pompe à balancier compor- tant une manivelle et un bras relativement importants, pro- voquant une accélération et une décélération brutales de la tige de pompe L'agencement à balancier nécessite un certain nombre d'inversions par minute de la pompe en même temps qu'une course de faible longueur de la tige de pompa- ge pour obtenir une production suffisante, Avec une pompe à balancier,là tige dé pompage doit être plus grande que cela n'est nécessaire car la fin de la tige ne rattrape jamais la pompe pendant le processus de pompage et la cour- se effective de la tige, à cause de son élasticité, est tou- jours inférieure à sa longueur réelle, De plus, la manivel- le doit être modifiée physiquement lorsqu'on veut changer la cadence de production de la pompe, Des perfectionnements apportés au système de pom- page à balancier sont, par exemple, décrits dans les bre- vets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 744 567, n' 3 793,904 et n 3 807 902, o des ensembles de pompage à course de 252 6496 2. grande longueur sont décrits, qui comportent des poids d'équilibrage solidaires, en étant animés d'un mouvement de va-et-vient, de la pompe du puits pour déplacer le méca- nisme de pompage et lui venir en aide grâce à la force exercée par la gravité lors de la course de retour Plu- sieurs inconvénients sont inhérents à l'utilisation des pompes de puits de l'art antérieur animées d'un mouvement de va-et-vient, faisantl'objet des brevets cités ci-dessus. Tout d'abord,chaque pompe utilise un moteur à courant con- tinu sur une spirale (une bobine à diamètre variable) avec une commande hydrostatique La commande hydrostatique n'a pas une grande longévité et nécessite un jeu complexe d'organes de façon à provoquer le fonctionnement de l'en- semble Le dispositif représenté dans les brevets de l'art antérieur cites ci-dessus ne permet que de commander la vitesse de l'ensemble En outre, des charges latérales sont imposées aux tiges de pompage dans les brevets-précédents. La présente invention a pour objet d'utiliser un mécanisme comportant un embrayage à cisaillement d'huile et un mécanisme de-frein pour commander 1 e fonctionnement d'une pompe de puits équilibrée Un tel agencement permet une modification de la vitesse de l'ensemble ainsi que de son temps d'arrêt bref en haut et en bas de chaque course, de façon à permettre à la tige de rattraper l'ensemble et d'avoir une course effective égale à sa longueur En outre, la présente invention a pour objet'd'élimhiner les charges latérales imposées par les tiges de pompage de manière à prolonger la durée de vie de l'ensemble. Chacun des avantages précédents est présenté par un ensemble de pompage qui a un débit de production régla- ble, le réglage étant facilement exécuté à l'extérieur de l'ensemble La cadence de production peut être contrôlée par un ordinateur principal en surveillant l'échantillonna- ge et l'ampérage du moteur de manière à obtenir les condi- tions optimum de fonctionnement de la pompe Ce même ordi- nateur peut contrôler un certain nombre d'ensembles de pom- page de la'présente invention. Les ensembles de l'art antérieur ont également 3. l'inconvénient sur le plan énergétique que l'accélération brutale de l'ensemble consomme de l'énergie lors de son fonc- tionnement La présente invention est avantageuse sur le plan énergétique par rapport au système de l'art antérieur grâce à la présence d'une rampe contrôlée pour l'accéléra- tion et la décélération de l'ensemble de pompage. La présente invention a également pour objet un -ensemble de pompage qui est potentiellement esthétique sur le plan écologique dans des régions o l'on pourrait mettre li en question l'installation de grandes pompes de puits ne pouvant être cachées à la vue L'ensemble de la présente invention peut avoir des dimensions physiques telles qu'il se trouve de 1, 50 mètre à 2 mètres au-dessus du niveau du sol, ce qui,dans un site industriel ou résidentiel, permet de l'installer sous un parking, en l'entourant d'une bar- rière ou d'une haie à l'intérieur d'une petite structure attrayante, ou dans un autre type d'environnement esthéti- que sur le plan écologique Une telle installation permet également d'utiliser la surface au sol disponible pour une activité autre que le simple pompage d'un puits Un petit ensemble de pompage peut être également plus facilement pro- tégé contre le vandalisme et les pompes peuvent être situées plus prèsles uns des autres, sous forme d'une série de puits directionnels demanière à obtenir une densité supé- rieure à celle des pompes de puits de l'art antérieur. L'ensemble de la présente invention a également un poids bien inférieur à celui des ensembles de l'art antérieur, ce qui peut présenter un avantage particulier pour les puits off-shore o un certain nombre de pompes doivent être assu- jetties à une installation de forage sur véhicule. Essentiellement, la présente invention permet d'obtenir un ensemble simplifié, plus compact, et potentiel- lement plus plaisant sur le plan écologique que les systè- mes de l'art antérieur. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en élévation de côté de 4. la pompe équilibrée de la présente invention; La figure 2 est une vue en élévation à grande échelle de l'ensemble d'entraînement de la figure 1; La figure 3 est une vue de côté en élévation de la pompe de la figure 1; et La figure 4 est une vue en coupe horizontale de la figure 1 prise le long des lignes 4-4. En figure 1, on a représenté un ensemble de pom- page 10 qui utilise un engrenage de maîtresse-tige 12 tour- nant sur un arbre 14 auquél il est fixé par une clavette ap- propriée (non représentée) L'arbre 14 est monté dans un logement 18 comprenant un élément de base 20 (voir figure. 3), des éléments inférieurs de support d'arbre 22 et 23, des éléments supérieurs de support d'arbre 24 et 25, un élément de support de système de commande 26 L'engrenage 12 tourne sur l'arbre 14 à l'intérieur du logement 18 en- tre deux poulies d'entraînement 28 et 30 qui sont également montées sur cet arbre avec des clavettes appropriées telles que la clavette& 31 (figure 1) Des câbles 32 et 34 sont en- roulés autour des poulies 28, 30 Le câble 32 est enroulé autour de la poulie de commande 28 dans la direction oppo- sée à celle de l'enroulement du câble 34 autour de la pou- lie 30, La poulie 28 sera appelée ci-après poulie d'éléva- tion et la poulie 30 poulie d'abaissement (bien que la relation entre poulies soit simplement relative et puisse être choisie ou inversée le cas échéant lors de l'instal- lation de l'ensemble) Une paire de poulies folles 36 et 38 est montée sur le logement 28 sur un axé de rotation pa- rallèle à celui des poulies 28,30 Dans le mode de réali- sation décrit, l'axe de rotation des poulies folles se trouve dans le même plan horizontal que l'axe de rotation des poulies 28, 30 Le câble de la poulie d'élévation 28 passe sur la partie supérieure de-cette poulie, puis sur la poulie folle 36 et descend jusqu'aux poids d'équilibra- ge dans un trou contigu à l'ensemble de pompage 30 Le ca- ble de la poulie d'abaissement 30 est dirigé vers le haut à partir de la partie inférieure de la poulie 30, passe sur la partie supérieure de la poulie folle 38 et descend jus- , qu'à la tige de pompage à l'intérieur du trou du puits. L'association active des cables 32 et 34 et de la tige de pompage dans le trou du puits et des poids du trou d'équi- librage est classique et n'a pas besoin d'être décrite en détail Un moteur 40 et un dispositif de commande de mo- teur 41 sont montés sur l'élément de support 26 du loge- ment 18 Une courroie 42 relie le moteur 40 a un volant 44 monté sur un arbre 46 d'un ensemble d'entraînement 48 de la pompe, également monté sur l'élément de support 26. En liaison avec la figure 4, l'arbre d'entrée 46 de l'ensemble d'entrafnement 48 est monté dans un logement sur des roulements appropriés 52 et 54 Un pignon 56 est monté sur l'arbre 46 en un endroit intermédiaire de cet arbre Deux embrayages, un embrayage d'élévation 58 et un embrayage d'abaissement 60, sont montés parallèle- ment à l'arbre d'entrée 46 et l'un à l'autre à l'intérieur du logement 50 Les embrayages 58 et 50 comprennent une série de disques 59 et de plaques 61 dans un bain d'huile de la même manière que les embrayages à cisaillement d'hui- le décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3.696 898 au nom de la demanderesse,ces embrayages pou- vant être actionnés par un piston 62 commandé extérieure- ment pour être engagés et désengagés Les plaques 61 coo- pèrent dans leur déplacement avec le logement extérieur 63 ou 64 des embrayages 58 ou 60, respectivement Les dis- ques 59 sont rendus solidaires par cannelage des arbres mo- biles 66 ou 68 des embrayages 58 ou 60, respectivement. Des engrenages de réduction 70 et 72 sont fixés aux loge- ment 62 et 64,respectivement,et sont en prise l'un avec l'autre de sorte qu'ils sont entraînés dans des direc- tions opposées Le pignon 56 de l'arbre d'entrée 46 est en prise avec l'engrenage 70 de l'embrayage 58 de façon à en- trainer le mécanisme via les engrenages 70 et 72 Les loge- ments 63 et 64 sont montés en rotation sur le logement 50 par des mécanismes appropriés à roulements 54 et 74 Un pignon 76 est monté sur l'arbre 66 et un second pignon 78 est monté sur l'arbre 68 de manière à être en prise avec l'engrenage 12 de l'ensemble de pompage 10 Ainsi, lorsque 6.- les plaques et les disques de l'embrayage 58 sont engagés, le pignon 76 tourne dans un sens pour entraîner l'engrena- ge 12 afin qu'il y ait élévation de la tige de pompage dans le sens vertical du trou L'embrayage 58 est alors dé- sengagé et l'embrayage 60 engagé pour qu'il y ait entraîne- ment du pignon 78, lequel entraîne à son tour l'engrenage 12 dans la direction opposée afin de provoquer l'abaisse- ment de la tige de pompage dans le trou du puits Un mé- canisme de frein 80 est également monté sur l'arbre 68 de l'embrayage d'abaissement 60 Le mécanisme 80 comprend Éga- lement une série de plaques 81 et de disques 82, avec les plaques 81 solidaires par cannelures du logement extérieur fixe 83 et les disques 82 solidaires par cannelures de l'arbre 68, de manière à être actionnés par un moyen d'ac- tionnement à piston 84 afin d'être engagés et de freiner l'ensemble 10, Une extrémité 86 de l'arbre 68 s'étend à travers l'ensemble de freinage 80 Cette extrémité est utilisée en détecteur, un transducteur y étant fixé pour déterminer la vitesse d'entraînement et la position de l'ensemble L'ensemble de freinage 80 est fixeé à l'arbre 68 de l'embrayage d'abaissement 60 mais peut, si la place le permet l'être aussi facilement à l'arbre 66 de l'embra- yage d'élévation 58 et ce montage reste dans le cadre de la présente invention. Ainsi, les embrayages 58 et 60 sont alternative- ment engagés et désengagés pour provoquer l'abaissement et l'élévation de la tige de pompage dans le trou du puits. Le frein 80 est engagé à la fin de chaque course de maniè- re à provoquer un bref temps-d'arrêt permettant à la tige de pompage de rattraper l'ensemble et que sa longueur ef- fective soit utilisée sans gaspillage de longueur L'enga- gement et le désengagement des embrayages 58 et 60 est provoqué par un mécanisme de commande à huile avec une ac- célération et une décélération en rampe lors de l'engage- ment de l'embrayage, On notera que la dénomination 'élévation' et "abaissement" pour les embrayages est relative La dési- gnation des embrayages peut être inversée si l'installation 7. est faite d'une manière telle que la tige de pompage est commandée par la poulie d'entraînement opposée. On remarquera que la durée de l'arrêt bref de l'ensemble 10 peut être facilement modifiée en choisissant un temps qui est basé sur la durée d'engagement du frein 80. De plus, la vitesse de l'ensemble peut être facilement con- trôlée par un système de commande automatique qui présente -de l'huile aux embrayages 58 et 60 de l'ensemble et au dispositif de commande de vitesse du moteur d'entraînement 40 Dans la présente construction, on peut utiliser une course ayant de 1,20 mètre à 1,50 mètre Un temps d'arrêt de 4 secondes entre inversions s'est avéré suffisant pour permettre le rattrapage à chaque inversion de course d'une tige de pompage de 3 mètres Ce temps d'arrêt, peut,naturel- lement, être modifié pendant la durée de vie du puits en fonction des changements de débit Cependant, on pense que seuls des changements finis seront nécessaires sans que l'on ait à faire appel à des systèmes de commande auto- matique à réaction ou à procéder à des modifications inf i- mes du réglage du temps d'arrêt. Un débit de production réglable peut également être obtenu facilement avec l'ensemble de pompage 10 dé- crit ci-dessus, car la vitesse de la pompe et la durée de l'arrêt bref sont si facilement contrôlables à volonté que l'on n'a pas à souffrir de la complexité d'une commande hydrostatique Un échantillonnage du débit et l'ampérage du moteur peuvent être surveillés par un moyen classique alors que la tige de pompage s'élève et la vitesse et le temps d'arrêt peuvent être réglés de façon à maintenir des conditions optimum de fonctionnement Un exemple d'un moyen de contrôle du courant du moteur dans la partie as- cendante de la course de pompage peut être un ampèremè- tre comportant des contacts réglables qui sont reliés au moteur électrique d'entraînement La distance entre contacts sera alors le temps d'arrêt bref pendant lequel le frein fonctionnera et le réglage de la distance séparant les con- tacts peut constituer un moyen d'ajustement de la durée de l'arrêt bref Un détecteur d'huile placé dans les logements des embrayages 63 ou 64 peut également être utilisé pour maintenir le frein dans la position desserrée jusqu'à ce que la pression d'huile dans l'embrayage se trouve à un ni- veau prédéterminé dans le but de maîtriser tout emballe- D ment. Le contrôle de plusieurs unités 10 de la présen- te invention peut être exécuté à partir d'un poste unique ou par un ordinateur central Des moniteurs enfichables peuvent également être facilement mis en oeuvre pour le contrôle d'ensembles individuels sans gêner ou stopper le fonctionnement de l'ensemble 10, car l'ampérage du moteur,la durée de l'arrêt bref et l'échantillonnage peuvent être effectués sans-gêner ou arrêter le fonction- nement de l'ensemble. Ainsi, on vient de décrire un ensemble perfec- tionné d'entraînement de pompe de puits de pétrole qui accomplit totalement et effectivement les objectifs de l'invention Les dimensions et les temps de fonctionnement indiqués dans la description précédente sont simplement représentatifs et n'ont pas pour but de limiter le domai- ne de l'invention. L'appréciation de certaines des valeurs de mesu- res indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'el- les proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de varian tes qui apparaîtront à l'homme de-l'art. 9. REVENDICATIONS 1 Ensemble de pompage pour puits de pétrole comprenant un moyen pour pomper le pétrole dans un puits par l'intermédiaire d'un trou du puits comprenant une tige de pompage et un moyen pour provoquer un mouvement de va- et-vient de cette tige dans le trou du puits, un moyen d'équilibrage pour réduire la puissance nécessaire au pom- page du pétrole, un moyen de moteur, un moyen pour entrai- ner le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient,et un moyen pour en- trainer le moyen d'équilibrage,caractérisé en oe qu'il comporte: un moyen pour engager alternativement le moyen de moteur avec le moyen d'entraînement du moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et avec le moyen d'entraîne- ment du moyen d'équilibrage comprenant: un moyen d'embrayage à cisaillement d'huile pour l'élévation du moyen provoquant un mouvement de va- et-vient; et un moyen d'embrayage à cisaillement d'huile pour l'élévation du moyen d'équilibrage et un moyen assurant un arrêt bref pour stopper à la fois le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et le moyen d'équilibrage dans une position choisie pendant une durée choisie comprenant un moyen de frein à cisaille- ment d'huile; le moyen d'entraînement du moyen provoquant un mouvement de va-et-vient comprenant un élément rotatif et un premier câble associé à cet élément rotatif et le moyen d'équilibrage comprenant un élément rotatif et un se- cond câble associé à cet élément rotatif. 2 Ensemble de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'engagement comprend en outre un moyen d'engrenages pour relier le moyen d'entraî- nement à chacun des moyens d'embrayage à cisaillement d'huile. 3 Ensemble de pompage selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des moyens d'embrayage à cisail- lement d'huile est associé de manière active à un arbre d'entraînement. 10. 4 Ensemble de pompage selon la revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de frein à cisaillement -d'huile est disposé de manière active sur l'arbre d'en- traînement de l'un des moyens d'embrayage à cisaillement d'huile. Ensemble de pompage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'engrenages pour relier les arbres d'entraînement des moyens d'embrayage au moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et au moyen d'équilibrage. 6 Ensemble selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le moyen d'engrenages permettant la liai-. son des arbres d'entraînement des moyens d'embrayage com- prend un pignon sur chacun des arbres d'entraînement et un engrenage de tige-mattresse disposé en prise avec les deux pignons et engagés en commande avec le moyen provo- quant un mouvement de va-et-vient et avec le moyen d'équi- librage, 7 Ensemble de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient comprend un câble, l'ensemble de pompage comportant en outre un moyen pour minimiser les charges latérales appliquées à la tige de pompage, 8 Ensemble de pompage pour puits de pétrole, comprenant un moyen pour pomper le pétrole dans un puits par l'intermédiaire d'un trou comportant une tige de pompa- ge et un moyen pour animer d'un mouvement *de va-et-vient la tige de pompage dans le trou du puits, un moyen d'équi- librage pour réduire la puissance nécessaire au pompage du pétrole, et un moyen pour entraîner le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et le moyen d'équilibrage, caractérisé en ce qu'il comporte: un moyen pour engager alternativement le mo- yen d'entraînement avec le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et le moyen d'équilibrage et un moyen assurant un arrêt bref pour arrêter le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et le moyen d'équilibrage dans une-position choisie pendant une 11. durée donnée; le moyen d'entraînement du moyen provoquant un mouvement de va-et-vient comportant un élément rotatif et un premier cable associé à cet élément rotatif et le moyen d'entraînement du moyen d'équilibrage comportant un élément rotatif et un second câble associé à cet élément rotatif. 9 Ensemble de pompage pour puits de pétrole, comprenant un moyen pour pomper du pétrole dans un trou de puits comportant une tige de pompage et un moyen pour animer d'un mouvement de va-et-vient la tige de pompage dans le trou, un moyen d'équilibrage pour réduire la puissance nécessaire au pompage du pétrole, et un moyen pour entraî- ner le moyen provoquant un mouvement de va-et-vient et le moyen d'équilibrage, comportant un moyen de moteur électri- que, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen pour régler le débit de production de l'ensemble de pompage comportant: un moyen pour commander la vitesse du moyen de moteur électrique; et un moyen assurant un arrêt bref de l'ensemble de pompage suivant une durée déterminée entre les mouve- ments de va-et-vient de la tige de pompage dus au moyen provoquant un mouvement de va-et-vient; le moyen d'entraînement du moyen provoquant un mouvement de va-et-vient comportant un élément rotatif et un premier câble associé à cet élément rotatif et le moyen d'entraînement du moyen d'équilibrage comportant un élé- ment rotatif et un second c&ble associé à cet élément rota- tif. 10 Ensemble de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour contrôler l'ampérage du moteur électrique et un moyen pour contrôler le débit du moyen de-pompage de pétrole, et le moyen de réglage comprend un moyen pour commander la vitesse du moteur en réponse à la sortie du moyen de con- trôle. 11 Ensemble de pompage selon la revendication , caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour ajuster 12. la durée de l'arrêt bref fourni par le moyen assurant un arrêt bref en réponse à la sortie du moyen de contrôle. 12 Ensemble de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen assurant un arrêt bref comprend un ensemble de freinage à cisaillement d'huile. 13 Ensemble de pompage selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour maîtriser tout emballement de la tige de pompage qui comporte un moyen pour détecter la pression d'huile dans le moyen d'entraînement et un moyen pour engager l'ensem- ble de freinage jusqu'à obtention d'une pression d'huile donnée. 14 Ensemble de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen pour que l'accélération et la décélération du moyen de pompage s'effectuent sous forme d'une fonction en rampe.