Brevet FR2549904A1 — publié le 19850201

La présente invention est relative à une pompe à haute pression notamment pour liquides chargés visqueux ou corrosifs. L'invention a été mise au point à l'occasion diune étude sur le pompage des boues pour forage à grande profondeur, pétrolières ou autres. Les pompes à boue de forage sont destinées à refouler un liquide formé d'eau chargé de produits divers tels que de la bentonite pour augmenter la viscosité ou la barytine broyée fine pour augmenter la densité, sous une pression qui atteint 300 à 400 bars et même plus. Ces pompes, actuellement sont des pompes comprenant un cylindre muni d'une entrée et d'une sortie pourvues de clapets ou soupapes, et dans lequel se déplace un piston entrainé par un excentrique tournant habituellement à une vitesse de 120 tours/minute, sous l'action d'un moteur thermique ou électrique qui est necessairement d'une puissance importante, par exemple 1200.ksi. Ce système présente les avantages d'une technique prouvée et ancienne, mais il présente aussi certains inconvénients : il est lourd, encombrant et nécessite un réducteur couteux la taille de ses pompes ne peut être réduite qu'en augmentant leur vitesse de rotation mais on se heurte dans ce cas aux limites de vitesse linéaire acceptée par les pistons et leurs joints en présence de fluides agressifs.Un écoulement approximativement continu peut être obtenu en couplant plusieurs pistons dont les déplacements montrent un décalage de phase, mais le débit ne peut pas etre uniforme en raison du caractère sinusoidal du déplacement de chaque piston entraîné par excentrique. D'autre part, dans ce système, les pièces les plus sujettes à usure sont les clapets ou soupapes, surtout si le liquide est abrasif, comme cela arrive fréquemment dans les forages, malgré les moyens de filtration placés sur le tra Jet du liquide recyclé. Une réduction de l'usure des clapets ou soupapes peut être obtenue par une réduction de la cadence des manoeuvres de ceux-ci, mais cela exige une réduction de la vitesse de rotation de l'excentrique, Cette mesure augmente le poids et l'encombrement La présente invention a pour but de fournir une pompe qui ne présente pas les inconvénients énoncés ci-dessus, c'est à dire qui permette un poids et un encombrement réduits, des débits ayant une plus grande uniformité dans le temps, et une usure réduite des clapets du fait de la réduction de la fréquence ainsi qu'une usure réduite des pistons en raison de la réduction de leur vitesse linéaire. L'invention fournit donc une pompe à haute pression pour liquide, comprenant au moins un cylindre muni d'une entrée et d'une sortie pour le liquide, pourvues respectivement de clapets ou soupapes d'aspiration et de refoulement, le cylindre contenant un piston susceptible de se déplacer sous l'action d'un moyen moteur d'un mouvement alternatif à l'intérieur du cylindre, qui présente la particularité que ledit moyen moteur comprend un fluide de travail qui exerce sur la face du piston qui est à l'opposé du liquide une pression suffisante pour déplacer le piston en refoulant ledit liquide. Suivant une modalité de construction simple, les faces du piston qui sont en contact avec le liquide et le fluide de travail sont de même section, ledit piston constituant un piston libre. Suivant une modalité plus compliquée mais qui ouvre des possibilités plus larges, les faces du piston qui sont en contact avec le liquide et le fluide de travail sont de section différentes, si bien que l'ensemble cylindre-piston constitue un dispositif à piston différentiel. Dans un mode de réalisation selon la présente invention, le réarmement est assuré par transfert de volume mettant en communication les deux chambres annulaires. De préférence, le fluide de travail est de l'huile, et l'instal lation complète comprend deux cylindres pourvus chacun d'un piston, une pompe primaire fournissant du fluide de travail sous pression, et un distributeur qui met alternativement l'un ou l'autre des deux cylindre en communication avec la pompe primaire. On conçoit que la pompe primaire peut être une pompe tournant à vitesse élevée, donc légère et peu encombrante, alors que le premier pis ton peut se déplacer par un mouvement alternatif qui est commandé par le dis tri buter et peut donc être indépendant de la vitesse de rotation de la pompe à huile. On peut aussi observer que, si la pompe primaire tourne à vitesse constante, le mouvement des pistons sera linéaire, et le débit de boue (ou autre liquide) sera constant pendant la durée d'un déplacement des pistons dans le cylindre. En couplant deux ensembles identiques dont chacun comprend des premier et second cylindres et des premier et second pistons, les seconds cylindres étant reliés à la même pompe primaire, on voit qu'on peut facilement obtenir un débit de boue pratiquement linéaire. ai l'on fait varier le débit de la pompe primaire par un moy en quelconque connu, on obtiendra la meme variation de débit sur l'étage se condaire toujours sans pulsation Le dispositif de l'invention peut être qualifié de disposi tif à "bielle liquide", car le liquide de travail jour le role de la bielle qui relie l'excentrique au piston des systèmes classiques. L'invention sera exposée plus en détail à l'aide- d1exemples de réalisation pratiques, donnés à titre non limitatif et illustrés par les dessins parmi lesquels Fig. 1 est une vue d'ensemble d'un forage équipé d'une pompe à boues selon l'art antérieur. Fig. 2 est une vue schématique d'une réalisation selon l'invention. Fig. 3 est une vue schématique d'une autre réalisation selon l'invention. Fig. 4 est une vue schématique partielle d'une autre réalisation de l'invention. La figure 1 est un schéma classique d'une installation de forage. Un derrick 1 supporte un train de tiges de forage 2 opérant dans le trou de forage 3. Le train de tiges est creux et est relié, à sa partie supérieure à une conduite 4 de boues de forage, grace à un joint tournant, Une pompe 5 comprend trois cylindres s (dont un seul est représenté) dans lesquels se déplace un piston 7 actionné par un excentrique 8. Le cylindre ó est relié d'une part à la conduite 4 alimentant le train de tiges, par l'intermédiaire d'un clapet de refoulement 9 et à une conduite d'arrivée 10 pourvue d'un clapet d'aspiration 11 et, elle même reliée à un bassin à boues 12. Les clapets d'aspiration et de re foulement 11,9 sont représentés aux figures 2 et 4.Les boues envoyées dans le train de tiges sortent au niveau de l'outil de forage, au fond du trou 3 et remontent entre les tiges de forage et la paroi du trou en entrainant avec elles les débris de forage. Elles sont interceptées en surface par la tête de puits 13 et envoyées à l'installation de traitement ou les débris de forage sont séparés et leur composition ajustée aux valeurs désirées, puis au bassin à boues 12. Les trois cylindres 6 sont reliés chacun à un excentrique 8, les trois excentriques étant montés sur le même arbre en étant décalés angulairement, c'est-à-dire qu'ils constituent un vilebrequin. A titre indicatif, des pompes de ce genre permettent d'atteindre des débits de 2000 à 2500 1/minute, avec des pressions de l'ordre de 300 bars soit une puissance absorbée d'environ 1200 kW. Le vilebrequin est actionné par un réducteur et tourne à 120 tours/minute. La vitesse moyenne du piston dans le cylindre est d'environ 1 m/seconde, ce qui cor respond à une vitesse maximale d'environ 2misez. Les clapets 9,11 sont calculés pour un débit correspondant à la vitesse maximale, c'est-à-dire pour un débit double du débit moyen. La figure 2 est une vue schématique d'un premier dispositif selon l'invention. La pompe comprend deux cylindres identiques 21, 22 pourvus chacun d'un piston libre 23, 24. Les cylindres 21, 22 sont fermés à leur deux extrémités et sont reliés chacun à une extrémité à un conduit dit "primaire" 25, 26, qui contient le fluide de travail, ici de l'huile, et à l'autre extrémité à un conduit dit "secondaire" 27,28 qui contient la boue de forage. Les deux conduits primaires sont reliés à un distributeur inverseur 29 à commande électromagnétique ou autre, qui relie alternativement l'un ou l'autre des condùits primaires à une pompe primaire 30, cependant que le conduit qui n'est pas relié à la pompe est relié à une réserve d'huile 31, à pression atmosphérique.Un limiteur de pression 32 est relié au refoulement de la pompe 3O, de façon usuelle. Les conduits secondaires 27, 28 sont reliés chacun à un clapet d'aspiration 11 et un clapet de refoulement 9. Les deux clapets d'aspiration 11 sont reliés au bassin à boue 12, et les deux clapets de refoulement 9 sont connectés au conduit 4 qui alimente le train de tiges. Les clapets 9 et Il sont groupés dans une boite à clapets 33. La figure 3 représente une variante de réalisation dans laquelle la différence principale avec celle de la figure 2 réside dans la forme particulière des pistons 23, 24 et des cylindres 21, 22, Les pistons ont une longueur supérieure à ia moitié de celle du cylindre, et un diamètre inférieur à celui du cylindre. Un palier de guidage du piston et d'étanchéité en 34 est prévu dans la partie centrale du cylindre, l'étanchéité est obtenue gracie à deux joints principaux 35, 36 le premier, du côte primaire, est prévu pour résister à l'huile, et le second, du côté secondaire, est prévu pour résister aux boues.Une chambre 37 reliée à l'extérieur placée entre les deux joints est reliée à l'extérieur pour permettre la détection de fuites éventuelles On observera que dans cette version le cylindre 21 n'a pas besoin d'un usinage précis, à l'exception du palier 34, car il n'est pas en contact avec le piston. La figure 4 montre une autre version du cylindre et du piston. Le piston 40 est en deux parties de diamètre différent, une partie primaire 41 est mobile dans la partie primaire 42 du cylindre à la façon d'un piston classique. Une partie secondaire 43 du piston, de plus petit diamètre est soutenue par un palier 44 et elle plonge dans la boue. Le palier 44 est pourvu de joints à l'épreuve de la boue, alors que la partie primaire 41 du piston est pourvue de joints résistant à 1 ' huile. On constitue ainsi un piston différentiel dans lequel l'usure due à l'action de boues abrasives peut être réduite au minimum. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention, le réarmement est assuré par transfert de volume mettant en communication les deux chambres annulaires 55. I1 est facile de comprendre que, tant que la pompe primaire 30 tourne à vitesse constante, le piston qui lui est relié par l'intermédiaire du répartiteur 29,21 sur la figure 2 se déplace à vitesse constante. Lorsque un piston arrive en bout de course, le répartiteur 29 est actionné et met le cylindre correspondant à l'atmosphère pendant qu'il envoie la pression dans l'autre. On ya maintenant décrire un perfectionnement intéressant, destiné à améliorer encore la constance des pressionset débits de refoulement. Si nous examinons en détail ce qui se passe lorsqu'un des pistons, 23 par exemple, arrive à la fin de sa course de travail, à peu près comme représenté à la figure 3 Le répartiteur 29 agit pour mettre le conduit primaire 25 et la chambre primaire 51 du cylindre 21 correspondant au piston 23 en communication avec la réserve d'huile 31 et interrompre leur liaison avec la pompe 30. La pression dans la chambre 51 tombe, entrainant le recul du piston 23 et la fermeture du clapet de refoulement 9 correspondant. Au même moment, la pompe 30 est mise en communication avec le conduit primaire 26 et la chambre primaire 52 de l'autre cylindre 22, lesquels se trouvaient jusque là à la pression atmosphérique car ils étaient reliés à la réserve d'huile 21; La pression dans la chambre 52 monte rapidement, entrainant le déplacement du piston 24 correspondant et quand cette pression a atteint une valeur suffisante, le clapet d'admission correspondant 11 se ferme et le clapet de refoulement 9 s'ouvre. La montée en pression dans la chambre 52 n'est pas instantanée, surtout avec la disposition correspondant à la figure 2, où son volume minimal n'est pas négligeable. I1 s'ensuit une brève interruption du débit, entre la fermeture du clapet. Pour limiter l'importance de cette interruption de débit, selon une modalité intéressante de l'invention, on opère de la façon suivante : avant que le piston 23 arrive en fin de course de travail, on interrompt la mise à l'atmosphère de la chambre primaire 52 correspondant à l'autre piston 24, et on la met en communication avec la chambre pri maire 51 correspondant au premier piston. On relie ensuite la chambre 52 avec la pompe primaire 30, par exemple à travers des conduites 53 et une électrovanne 54, on interrompt la communication entre les deux chambres et ensuite on met la chambre 51 à l'atmosphère. Lors de l'ouverture de llélectrovanne 54, un équilibre des pressions s'établit entre 51 et 52, la source primaire débitant simultanément dans les deux chambres. I1 est possible de prévoir, à partir d'une source d'énergie auxiliaire, d'anticiper la mise en pression de la chambre 52 afin de corriger les perturbations d'inversion. La vitesse de variation de pression dépend de divers facteurs parmi lesquels on peut citer la compressibilité des fluides en présence, huile et boue, l'élasticité de la matière des cylindres et des pistons, le débit de la pompe, et les volumes en présence de la section des conduits 53. La vitesse du piston 23 diminue également sans toutefois pouvoir descendre au-dessous de la vitesse de travail tant que les deux chambres 51 et 52 sont reliées à la pompe primaire. Le piston 24 commence à refouler la boue dans le conduit 4 à un moment qui est déterminé, notamment, par les caractéristiques des clapets 9 et 11 correspondants. On conçoit que par un choix judicieux de commande du répartiteur 29 et de l'électrovanne 54, on puisse arriver à annuler, ou tout au moins à réduire considérablement les à-coups de débit lors du passage d'un cylindre à l'autre. Dans certains cas, il peut être avantageux de prévoir certains chevauchements des opérations, une connexion commençant à s'ouvrir avant que l'autre ait fini de se fermer, ou vice-versa. Sur les figures, on a représenté une électro- vanne 54 distincte du répartiteur 29. Il est évidemment possible de combiner ces deux organes en "ensemble répartiteur" conçu comme un organe mono-bloc. On va maintenant décrire une installation complète, destinée à remplacer la pompe d-écrite à propos de la figure 1. Cette installation est formée de cinq modules capables chacun de fournir le quart du débit total prévu, ce débit total étant de 2000 1/minutie sous 300 bars. Le cinquième module est en réserve pour le cas d'incident. On notera au passage que la solution modulaire permet d'assurer la sécurité pour un prix bien inférieur à celui de la solution classique, qui comporte le doublement de la pompe. Chaque module est construit selon un schéma analogue à celui qui vient d'etre décrit à propos de la figure 3. I1 comporte une pompe primaire formée de deux pompes d'un type courant, capable de fournir chacune 250.1/minute sous 400 bar au maximum entraînées par un moteur de 140 kW. Le meme moteur peut entrainer une pompe moyenne pression accouplé à chaque pompe haute pression, et destinéeà etre mise en action en début de forage, lorsque des débits plus importants, sous faible pression, sont nécessaires. Chaque ensemble formant pompe primaire est relié, à travers un répartiteur, à son ensemble de deux cylindres à piston libre du type décrit plus haut, fonctionnant de façon alternée comme on l'a dit. Les quatre modules n'ont pas à fonctionner en synchronisme, toutefois il peut etre avantageux de décaler de l'un à l'autre, de façon à réduire encore, si cela est nécessaire, l'effet des à-coups lors du passage d'un cylindre à l'autre. Chaque ensemble formant pompe primaire peut fournir à volonté le quart, la moitié ou les trois quarts de son débit maximal, grâce à l'emploi de dérivations ou la mise hors circuit d'une des pompes unitaires. Le débit total peut donc varier de O à 2000 1/minutie par palier de 125- 1/minute, sans nuire à la synchronisation de la marche des modules. Les limiteurs de pression prévus sur les conduits primaires de chaque module assurent la sécurité de fonctionnement. On observera que, si le bassin à boues n'est pas en surélévation par rapport à l'ensemble de pompage, une pompe de gavage entre le bassin à boues et l'ensemble de pompage est nécessaire pour assurer le recul des pistons quand ils ne sont pas en travail. L'ensemble de pompage, y compris le module de sécurité, est d'un encombrement et d'un poids analogue à celui d'une seule pompe de type classique. A titre d'exemple, les dimensions des cylindres correspondent à un diamètre des pistons de 230 mm environ, pour une course de 800.mm ce qui correspond à une vitesse linéaire maximale du piston do 0*2, m/sec, soit 10 fois plus faible que dans une pompe classique, avec une fréquence maximale des inversions, donc des mouvements de clapets, de 7,5par minute, contre 120 pour les pompes classiques. Ces chiffres donnent une idée de l'accroissement de longévité de la pompe. Un ensemble tel que décrit peut facilement être trans formé, par remplacement des cylindres par d'autres du type décrit à la figure 4, pour obtenir des pressions atteignant 1000 bars et plus, le compartiment "primaire" et notamment la pompe et le répartiteur, n'ont pas à etre changés car ils ne sont pas plus sollicités. La présente invention a été décrite en relation avec un équipement de forage souterrain, mais il doit etre enten du qu'elle est applicable à toutes sortes de liquides à hau te pression, abrasifs ou non, corrosifs ou non, lubrifiants ou non, quelle que soit leur viscosité. L'invention peut être mise en oeuvre en faisant appel à une technologie bien connue, celles des vérins, et en uti lisant un nombre important de pièces de série, telles que pompes à huile, distributeur, cylindres, etc.... REVENDICATIONS 1. Pompe à haute pression pour liquide, comprenant au moins un cylindre (21,22) muni d'une entrée et d'une sortie pour le liquide, pourvues respectivement de clapets ou soupapes d'aspiration (11) et de refoulement (9), le cylindre contenant un piston (2.3, 24) susceptible de se déplacer sous l'action d'un moyen moteur diun mouvement alternatif à l'intérieur du cylindre, caractérisée en ce que ledit moyen moteur comprend un fluide de travail qui exerce sur la face de piston qui est à l'opposé du liquide une pression suffisante pour déplacer le piston en refoulant ledit liquide. 2. Pompe selon la revendication 1, caractériséeen ce que les faces de piston qui sont en contact avec le liquide et le fluide de travail sont de meme section,ledit piston constituant un piston libre. 3. Pompe selon la revendication 1, caractériséeen ce que les faces du piston qui sont en contact avec le liquide et le fluide de travail sont de section différentes, si bien que l'ensemble cylindre-piston constitue un dispositif à piston différentiel. 4. Pompe selon l'une des revendications l à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend deux cylindres pourvus chacun d'un piston, une pompe primaire (30) fournissant du fluide de travail sous pression, et un distributeur (29) qui met alternativement l'un ou l'autre des deux cylindres en communication avec la pompe primaire. 5. Pompe selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle est pou-rvue de moyens (53,54) pour mettre en communication les deux cylindres entre eux et avec la pompe primaire au moment ou l'un d'eux arrive à la fin de sa course de travail. 6. Pompe selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle est formée de plusieurs modules disposés en parallèle sur le circuit de liquide, chaque module comportant deux cylindres, un distributeur et une pompe primaire. 7. Pompe selon la revendication 6, caractérisée en ce que les modules sont synchronisés entre eux avec un décalage tel que les différents pistons de l'ensemble des modules arrive en fin de course de travail à des moments différents. 9. Pompe selon l'une des revendications 1 à 6, carac térisée en ce qu'elle est associé à une pompe de gavage placée sur le circuit de liquide, du côté de l'admission, et qui développe une pression suffisante pour assurer le retour d'un piston à sa position de départ après une course de travail. 9. Pompe selon la revendication 3, caractérisée en ce que le réarmement est assuré par transfert de volume mettant en communication les deux chambres annulaires (55),