Brevet FR2558536A1 — publié le 19850726

L'invention a pour objet une unité de pompage à balancier pour la manoeuvre d'une pompe à piston immergée, principalement une pompe de puits de pétrole. On sait que les pompes de fond des puits de pétrole sont actionnées par l'intermédiaire d'un train de tiges de grande longueur dont le débattement en sens trans- versal est extrêmement limité. Il en résulte que l'organe moteur anime d'un mouvement alternatif doit suivre une trajectoire très peu différente d'une ligne droite à son point d'attelage avec l'extrémité supérieure du train de tiges. Dans les unités de pompage classique, un balancier est attelé à une extrémité à un ensemble bielle- -manivelle d'un moteur qui lui impose des mouvements de balancement autour d'un axe horizontal fixe. A son extrémité opposée ce balancier est muni d'une tête ayant une face extrême libre incurvée en arc de cercle. Dans cette face incurvée sont creusées des gorges dans lesquelles sont montés des câbles qui aboutissent à la partie supérieure du train de tiges. Ces câbles ont toujours une direction tangentielle à la face incurvée et sont toujours contenus dans un même plan vertical. Il en résulte d'une part une accélération et une décélération relativement fortes aux extrémités de la course et, pour un couple moteur donné, une longueur de course relativement faible; en outre, les câbles sont des pièces d'usure qui nécessitent une surveillance et un remplacement périodiques. L'invention a pour but principal d'apporter un mécanisme à balancier qui, entraîné par un moteur clas- sique, permet d'obtenir une course notablement plus grande, pour un même couple moteur, le long d'une trajectoire suffisamment rectiligne pour être acceptable, avec des accélérations et des décélérations plus faibles que dans les unités de pompage classique. Un autre but de l'invention est de parvenir, à l'aide d'un mécanisme du type visé ci-dessus, à la sup- pression des cables entre le balancier et le train de tiges. On atteint ce but selon l'invention à l'aide d'un balancier suspendu à une biellette porteuse montre oscillante autour d'un axe horizontal, une première extrémité de ce balancier étant articulée en un même point avec une extrémité d'une bielle d'un ensemble rotatif bielle-manivelle et avec une extrémité d'une contre-bielle dont l'extrémité opposée est articulée autour d'un arbre fixe en position. Selon un mode de réalisation préféré de l'in- vention, dans une unité de pompage pour puits à pompe de fond manoeuvrée par un train de tiges, comprenant à la surface du sol un moteur muni d'un ensemble bielle-manivelle, un porti- que ayant de préférence quatre pieds, un arbre horizontal fixe en position supporté en haut de ce portique, un balancier porté par le portique pour exécuter un mouvement de balancement autour d'un axe horizontal, ce balancier étant articulé par une première extrémité autour d'un arbre d'ar- ticulation avec une extrémité de la bielle de l'ensemble bielle-manivelle et étant relié par sa seconde extrémité à la partie supérieure du train de tiges, selon l'invention, le balancier est suspendu en dessous de l'arbre horizontal fixe en position en un point intermédiaire entre ses extrémités à l'aide d'une biellette porteuse de longueur R articulée avec le balancier au moyen d'un arbre horizontal supplémentaire et la première extrémité du balancier est articulée autour de l'arbre d'articulation précité avec une extrémité d'une contre-bielle de longueur R/2 qui est arti- culée à son extrémité opposée autour d'un arbre horizontal complémentaire fixe en position à axe coupant l'arc de cercle de rayon R que décrit l'arbre horizontal supplémentaire autour de l'arbre horizontal fixe en position monté sur le portique. Avec un balancier monté de cette façon, si l'on suppose que l'arbre d'articulation de la bielle, de la contre- bielle et du balancier est situé en un point A de ce dernier et que l'arbre horizontal supplémentaire d'articu- lation de la biellette porteuse et du balancier est situé en un point B de ce dernier, il existe sur ce balancier, à l'opposé de sa première extrémité, un point C qui suit pendant les mouvements du balancier une trajectoire verti- cale qui diffère extrêmement peu d'une ligne droite. Ce point C se trouve sur le balancier à une position telle que BC = 1,76.AB. Pour bien faire comprendre l'invention on donnera maintenant une description d'un mode de réalisation préféré. On se reportera au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en élévation d'une unité de pompage conforme à l'invention, - la figure 2 est un graphique qui montre la trajec- toire verticale parcourue par l'extrémité du balancier attelée à la tige de manoeuvre d'une pompe de fond. L'unité de pompage de la figure 1 comprend un socle 1 sur lequel sont montés un groupe moteur 2 et un portique 3. Le groupe moteur 2 est classique; on ne le décrira donc pas. Il comprend un ensemble bielle 4 manivelle par lequel est transmis le couple moteur. Le portique 3 est à quatre pieds inclinés soutenant un palier supérieur 6 dans lequel est monté un arbre horizontal 7 fixe en position. A cet arbre 7 est suspendue une biellette porteuse 8; en pratique il existe deux biellettes 8 jumelées, espacées et parallèles, pour un meilleur équilibrage, qui portent un arbre horizontal supplémentaire 9. Celui-ci est tenu dans un palier 10 qui est fixé à la face inférieure d'un balan- cier 11. Ce dernier est contenu entre les biellettes porteuses jumelées 8; un autre montage moins équilibré pourrait se faire avec une seule biellette porteuse 8. L'arbre horizontal supplémentaire 9 se trouve, par rapport à la longueur du balancier 11, en un point B intermédiaire entre sa première extrémité o il est articulé en un point A avec la bielle 4 et sa seconde extrémité o se trouve un point C. Ce dernier est situé à un endroit tel qu'on a la relation suivante: BC = 1,76.AB entre les distances AB et BC dans le sens de la longueur du balancier 11. Au point A, la face inférieure du balancier 11 porte un palier 12 dans lequel est monté un arbre d'articulation 13 qui sert à l'articulation de la bielle 4 d'une part et, aussi, à l'articulation d'une extrémité d'une contre-bielle dont l'extrémité opposée est articulée autour cun arbre horizontal complémentaire 16 fixe en position. En pratique, toujours pour une raison d'équilibrage, il est préférable d'utiliser deux bielles jumelées 14 espacées et parallèles qui constituent un palonnier ainsi que deux contrebielles jumelées 15 qui sont articulées autour de deux tronçons d'arbre complémentaire 16 ayant un axe géométrique commun. Chaque tronçon d'arbre complémentaire 16 est monté dans un palier 17 fixé à un pied correspondant du portique 3. La longueur de la bielle porteuse 8 entre les axes géométriques des arbres 7 et 9 est égale à une valeur R. La longueur de la contre-bielle 15 entre les axes géométriques des arbres 13 et 16 est égale à R/2. Chaque palier 17 est fixé au portique 3 à un emplacement tel que l'axe géométrique de l'arbre complémentaire 16 se trouve sur l'arc de cercle 18 que décrit l'axe géométrique de l'arbre horizontal supplémentaire 9 quand la biellette porteuse 8 oscille autour de l'arbre 7. Au point C du balancier 11 est articulé un palonnier 19 composé de deux tiges pendantes parallèles à. l'extrémité inférieure duquel on peut atteler directement l'extrémité supérieure du train de tiges, par exemple grace à une traverse 20. Pour parvenir à un très bon résultat il est préférable de prévoir un léger décalage en sens transversal entre la ligne passant aux points A et B par les axes géométriques des arbres 13 et 9 d'une part et le point C d'autre part. Le point C étant projeté en D sur cette ligne AB, on doit avoir la relation CD = 0,095 BD quand ce point C se trouve au point mort bas de sa course. Pendant le fonctionnement, quand la tête de la bielle 4 décrit avec la manivelle 5 un cercle 21, l'arbre d'articulation 13 du pied de cette bielle 4 décrit un arc de cercle 22 ayant pour centre l'arbre horizontal complémentaire 16 fixe en position. Le balancier 11 a un mouvement corres- pondant de balancement autour de l'arbre horizontal supplé- mentaire 9 de sorte que le point C de son extrémité se déplace entre un point mort bas PMB et un point mort haut PMH. Cette extrémité du balancier 11 est représentée en trait mixte à cette dernière position sur la figure 1. Mais comme la contre-bielle 15 impose en même temps au balancier 11 et par conséquent à son arbre de balancement 9 des déplacements alternés en sens horizontal le long de l'arc de cercle 18 grâce à la biellette porteuse 8, le point C ne décrit pas un arc de cercle mais une ligne verticale 23 très faiblement sinueuse visible sur le graphique de la figure 2. Entre le point bas PMB et le point haut PMH le point C a une course Cm qui est liée à la longueur R de la biellette porteuse 8 par la relation R = 0,64.Cm. Dans une unité de pompage réalisée selon l'invention, la course Cm avait une valeur de 3.150 mm. Aux points bas PMB et haut PMH le point C se trouve sur une ligne droite verticale 24 passant par ces points; entre ces points sa trajectoire 23 croise cette ligne droite 24 en un point intermédiaire 25 et il s'en écarte d'un côté et de l'autre. Dans cet exemple de réalisation il s'en écartait au maximum d'une valeur de 35 à 40 mm, ce que le train de tiges peut supporter sans inconvénient même avec un organe d'at- telage rigide comme le palonnier 19. Dans ce même exemple de réalisation, l'angle a d'oscillation maximum de la contre-bielle 15 était de 111 du bas vers le haut à partir de la verticale passant par l'arbre horizontal complémentaire 16, ce qui fait qu'il s'élevait d'un angle b de 21 au- -dessus de l'horizontale. L'angle de la verticale passant par l'arbre 7 de suspension de la biellette porteuse 8 avec la droite joignant cet arbre 7 à l'arbre complémentaire 16 était de 25,29 . La distance AB était choisie telle que l'on avait la relation AB = 1,118 R. La course de 3.150 mm du point C est 2 à 2,5 fois supérieure à la course permise par une unité de pompage classique fournissant un même couple moteur à l'arbre de la manivelle 5; bien entendu, la force disponible le long de cette course accrue est plus faible mais ce mode de fonctionnement convient bien aux pompes de fond de petit diamètre ou aux puits peu profonds acceptant une faible vitesse de pompage. Il a été constaté qu'aux points extrêmes de la course du point C l'accélération et la décélération sont plus faibles que dans les unités de pompage classique. On peut aussi régler la longueur de la course du point C dans l'unité de pompage de l'invention; il suffit de modifier le rayon de la manivelle 5 et de changer, par conséquent, le diamètre du cercle 21 sur la figure 1. REVENDICATIONS 1. Unité de pompage comprenant un balancier (11) à mouvement de balancement autour d'un axe horizontal, articulé à une première extrémité avec une bielle (4) d'un ensemble rotatif bielle (4) -manivelle (5), caractérisée en ce que ce balancier (11) est suspendu à une biellette por- teuse (8) montée oscillante autour d'un arbre horizontal (7). et il est articulé à sa première extrémité par un même arbre d'articulation (13) avec la bielle (4) et avec une extrémité d'une contre-bielle (15) dont l'autre extrémité est articu- lée autour d'un arbre fixe en position. 2. Unité de pompage selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'axe géométrique de l'arbre fixe en position d'articulation de la contrebielle (15) rencontre la trajectoire décrite par l'arbre horizontal (7) d'articu- lation de la biellette porteuse (8) avec le balancier (11). 3. Unité de pompage pour pompe de fond alterna- tive à tige de manoeuvre comprenant un moteur (2) ayant un ensemble bielle (4) -manivelle (5), un portique (3), un arbre horizontal (7) fixe en position supporté en haut du portique (3), un balancier (11) porté par le portique (3) pour exécuter un mouvement de balancement autour d'un axe horizontal, articulé par une première extrémité en un point (A) au moyen d'un arbre d'articulation (13) avec une extrémité de la bielle (4) et relié par sa seconde extré- mité à la tige de manoeuvre, caractérisée en ce que ce balancier (11) est suspendu en dessous de l'arbre horizontal (7) fixe en position en un point (B) intermédiaire entre ses extrémités à l'aide d'une biellette porteuse (8) de longueur R articulée avec le balancier (11) au moyen d'un arbre horizontal supplémentaire (9) tandis que la première extrémité de ce balancier (11) est articulée aussi au moyen de l'arbre d'articulation (13) avec une extrémité d'une contre-bielle (15) de longueur R/2 qui est articulée à son extrémité opposée autour d'un arbre horizontal complémentaire (16) fixe en position dont l'axe géométrique coupe l'arc de rayon R décrit par l'arbre horizontal supplémentaire (9) reliant la biellette porteuse (8) et le balancier (11). 4. Unité de pompage selon la revendication 3 caractérisée en ce que l'arbre horizontal complémentaire (16) d'articulation de la contre-bielle (15) est supporté par un palier (17) fixé au portique (3). 5. Unité de pompage selon la revendication 3 caractérisée en ce que la seconde extrémité du balancier (11) est attelée à la tige de manoeuvre de la pompe en un point (C) situé à une distance des points (A) d'articulation de la bielle (4) et de la contre-bielle (15) et (B) d'arti- culation de la biellette porteuse (8) telle que ces points sont liés par la relation BC = 1,76.AB. 6. Unité de pompage selon la revendication 5 caractérisée en ce que le point (C) d'articulation du balancier (11) à sa seconde extrémité et la ligne droite passant par les deux autres points d'articulation (A) et (B) du balancier (11) sont espacés d'une distance trans- versale (CD) ayant la valeur CD = 0,095 BD quand ce point (C) du balancier (11) se trouve au point bas (PMB) de sa course verticale. 7. Unité de pompage selon la revendication 3 caractérisée en ce que les points (A) d'articulation de la bielle (4) et de la contre-bielle (15) et (B) d'arti- culation de la biellette porteuse (8) sont espacés d'une distance telle que AB = 1,118 R. 8. Unité de pompage selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle est attelée au point (C) de sa seconde extrémité par un organe rigide (19).