Brevet FR2588620A1 — publié le 19870417

L'invention concerne les pompes vibratoires destinées au pompage de puits et analogues, et elle a trait plus particulièrement à un élément d'impulsion perfectionné destiné à être utilisé dans une telle pompe. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n 4 487 554, décrit une pompe vibratoire ou à résonance qui utilise plusieurs éléments d'impulsion vibratoires espacés le long d'une colonne de tiges. Cette dernière est soumise à une commande sonique afin de vibrer à une fréquence de réso- nance, l'énergie vibratoire ainsi engendrée dans la colonne de tige amenant les éléments d'impulsion à faire monter le fluide par pompage dans un conduit dans lequel ces élements sont installés. Ces éléments d'impulsion décrits dans le brevet nD 4-487 554 précité, utilisent divers tires de techniques de distribution, englobant un organe d'im- pulsion élastique en forme de coupelle et des mécanismes à soupapes circulaires. Dans tous ces organes d'impulsion, des éléments d'étanchéité du type segment de piston à ajustement serré, en contact étanche avec la paroi inté- rieure d'un conduit, sont utilisés. Ce type de segments coulissants d'étanchéité à ajustement serré présente plu- sieurs inconvénients. Tout d'abord, ce type d'agencement produit, de par sa nature, un frottement et une usure. Ceci a non seulement pour résultat des pertes d'énergie, mais également une détérioration des organes d'impulsion, néces- sitant une réparation et un remplacement de ces organes. En outre, avec le contact de glissement entre les organes d'impulsion et la paroi intérieure du conduit, il est nécessaire, pour minimiser le frottement et l'usure, que la paroi intérieure du conduit soit maintenue dans un état lisse opposant un frottement aussi lisse que possible à l'organe d'impulsion. Ceci accroît notablement le coût de fabrication et d'entretien du conduit utilisé. Les dispositifs selon l'invention éliminent les inconvénients,mentionnés ci-dessus, de l'art antérieur par l'utilisation d'organes d'impulsion qui ne s'appliquent pas comme des segments de piston contre la paroi intérieure du conduit, en contact étanche avec cette paroi. Ce résultat final est obtenu par l'établis- sement de l'action nécessaire d'étanchéité, s'opposant au reflux,au moyen d'une paroi cylindrique allongée située dans l'organe d'impulsion, qui forme un intervalle annu- laire étroit avec la partie intérieure du conduit, cet intervalle étant normalement rempli de liquide afin de former un anneau liquide. En raison de l'inertie de cet anneau liquide étroit et allongé, une réactance de masse - acoustique importante est opposée à la force vibratoire acoustique engendrée, ce qui forme un joint dynamique étanche aux fluides s'opposant efficacement aux fuites en retour par l'organe d'impulsion, en particulier pendant la partie du cycle vibratoire au cours de Iaquelle- est présente une impulsion dirigée vers le haut. De cette manière, on obtient le résultat final souhaité sans avoir à recourir à un contact d'étanchéité entre l'organe d'im- pulsion et les parois du conduit, ce qui évite les incon- vénients mentionnés précédemment. L'invention a donc pour objet d'éliminer la nécessité d'un contact d'étanchéité entre l'organe d'im- pulsion et une paroi de conduit dans une pompe vibratoire. L'invention a également pour objet de minimiser le frottement et l1sure des organes d'impulsion de pompes vibratoires. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une élévation, avec coupe longitudinale partielle, d'une première forme de réalisa- tion de l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 1; - la figure 4 est une élévation avec coupe longitudinale partielle d'une deuxième forme de réali- sation de l'invention; - la figure 5 est une coupe transversale suivant la ligne 5-5 de la figure 4; - la figure 6 est une élévation illustrant le corps de soupape de la forme de réalisation de la figure 4; - la figure 7 est une élévation avec coupe longi- tudinale partielle d'une autreforme de réalisation de l'inven- tion; - la figure 8 est une coupe transversale sui- vant la ligne 8-8 de la figure 7; - la figure 9 est une coupe transversale sui- vant la ligne 9-9 de la figure 7; - la figure 10 est une coupe transversale d'une forme de réalisation modifiée de l'ensemble à manchon de la forme de réalisation des figures 7 à 9; et - la figure 11 est une élévation de l'ensem- ble à manchon de la figure 10. Les figures 1 à 3 représentent une première forme de réalisation de l'invention. Les organes d'impul- sion selon l'invention utilisent la même tige de base, à commande sonique ou vibratoire, que celle utilisée dans le brevet n 4 487 554 précité, auquel on peut se référer pour une description plus complète de cette partie de l'invention. Ainsi, le même type d'oscillateur sonique que celui décrit dans le brevet précité peut être utilisé, ainsi que le même type de tige pleine qui est mise en vibration à une fréquence de résonance afin d'engendrer l'énergie sonique ou vibratoire produisant l'action de pompage. Par conséquent, de même que dans le dispositif du brevet précité, les organes d'impulsion vibratoires peuvent être espacés le long de la tige d'une manière op- timale, à des intervalles inférieurs au quart de la lon- gueur d'onde des vibrations à la fréquence de résonance de la colonne de tiges. Les organes d'impulsion selon l'in- vention sont cependant sensiblement différents de ceux décrits dans le brevet précité et font l'objet de la pré- sente invention. Comme montré sur les figures 1 à 3, une tige pleine 11 est suspendue à l'intérieur d'un conduit 14 qui forme le canal de pompage du fluide d'un puits dans lequel ce conduit est installé. Le bloc d'impulsion 16 peut être réalisé en une matière plastique convenable telle que du "nylon" ou du polyéthylène. L'organe d'impulsion 16 com- porte un tronçon de collet rétréci 17 qui enserre étroi- tement la tige 11 au moyen d'un collier 18 pouvant être du type d'un collier circulaire pour tuyau. La partie de la surface extérieure de la tige 11 opposée au collet 17 peut être convenablement striée afin d'améliorer la prise. Une partie de paroi cylindrique 19 de l'organe d'impulsion comporte plusieurs sièges circulaires 19a de clapetsdans lesquels des clapets à billes20a et 20b sont logés, ainsi qu'on peut mieux le voir sur les figures 2 et 3. Ces cla- pets peuvent comprendre un seul groupe de six clapets à billes 20a relativement petits, comme montré sur la figure 2, et quatre groupes de clapets à billes 20b, relativement gros comme montré sur la figure 3. L'organe d'impulsion comporte une partie de paroi cylindrique allongée 22 dont la longueur peut géné- ralement être de 60 à 90 ac. Cette partie de paroi présente en outre des gorges annulaires 23 formées dans une portion de la paroi et constituant un joint d'étanchéité dynamique à labyrinthe destiné à s'opposer aussi au reflux du liquide. Le diamètre de la paroi 22 est tel qu'il établit un intervalle annulaire très étroit 24 entre la paroi in- térieure du conduit 14 et la paroi 22. En général, cette différence de diamètre est de l'ordre de 3,2 à 6,4 mm. Lorsque la tige 11 est excitée de façon à vi- brer à une fréquence de résonance, l'énergie acoustique engendre des impulsions de pression dans le liquide, les- clapets à billes 20a et 20b réagissant à ces impulsions de pression en faisant monter par pompage le liquide dans le conduit. Il convient de noter que la tige 11 est animée d'un mode longitudinal de vibration de manière que les clapets ne réagissent pas directement à la vibration de la tige, mais plutôt aux impulsions engendrées dans le liquide en réponse à la vibration de la tige. Par conséquent, les clapets s'ouvrent et se ferment sous l'effet des impulsions, de pression dans le fluide, lorsqu'elles arrivent à chaque clapet, afin de produire une action de pompage plus effica- ce. Il convient de noter que l'anneau liquide 24 non seule- ment constitue un joint d'étanchéité dynamique fluide, mais présente en outre l'avantage d'amortir les vibrations laté- rales indésirées émanant de la colonne de tiges. On se référera à présent aux figures 4 à 6 qui représentent une deuxième forme de réalisation de l'inven- tion. Cette forme de réalisation utilise des clapets du type à lames à la place des clapets à billes de la forme de réalisation précédente. De même que dans la forme de réalisation précédente, un intervalle annulaire allongé 24 est formé entre la partie de paroi 22 de l'organe d'im- pulsion 16 et la paroi intérieure du conduit 14. De plus, comme dans la forme de réalisation précédente, l'organe d'impulsion est de réalisation cylindrique et comporte un collet rétréci 17 Qui est serré étroitement sur la tige 11 au moyen d'un collier 18. Cependant, les clapets de cette forme de réalisation, au lieu d'être formés de billes, utilisent plusieurs éléments à lames 30 qui sont réalisés en une matière élastique con- venable telle que du "nylon". Les lames 30 sont serrées sur le collet 17 au moyen d'une bride circulaire 33 ainsi que de boulons 35. Les lames 30 sont ainsi bridées à l'une de leurs extrémités et sont par ailleurs libres. Chacune des lames 30 est installée sur une fente 36 formée dans la paroi de l'organe d'impulsion et les lames sont mises en place de façon à occuper normalement une position fermant les fentes. Un corps 32 de clapet présente, à l'une de ses extrémités, une partie décolletée filetée 37 sur laquelle la partie de paroi allongée 32 est vissée. Ainsi, sous l'effet des impulsions soniques ou vibratoires engendrées dans le fluide,les lames ouvrent et ferment périodiquement les fentes afin de permettre le passage du fluide dans lesdites fentes pour produire l'action de pompage. L'élas- ticité des lames leur donne une réponse rapide suivant la fréquence vibratoire de fonctionnement de la pompe et elle permet donc une action de pompage hautement efficace.. Une autre forme de réalisation de l'invention sera à présent décrite en référence aux figures 7 à 9. Cette forme de réalisation convient particulièrement à - une utilisation dans le cas o le diamètre intérieur et la rugosité de la colonne présentent des variations impor- tantes pouvant être occasionnées par de larges tolérances de fabrication, ou bien dans le cas d'un tube fortement usé o l'usure d'un raccord à un autre n'est pas la même. Cette forme de réalisation de l'invention s'adapte à de telles variations par le fait que les organes d'impulsion sont réalisés sous la forme de segments incurvés qui sont libres de s'expanser ou de se contracter radialement afin de pouvoir être amenés à proximité immédiate de la paroi inté- Z588620 rieure du conduit durant chaque impulsion de pression, un film de fluide formé dans l'intervalle annulaire étant ainsi rendu momentanément très fin pour établir l'impédance acoustique élevée nécessaire s'opposant efficacement au reflux par l'organe d'impulsion, en particulier pendant la partie du-cycle de vibration au cours de laquelle l'impul- sion dirigée vers le haut est présente. L'élément segmenté, flottant librement, assume également la fonction d'organe d'impulsion à clapets de retenue, conjointement avec la liberté longitudinale de course établie par rapport à un siège de clapet. En référence aux figures, de même que dans les formes de réalisation précédentes, une tige pleine 11 est suspendue à l'intérieur du conduit 14 qui forme le canal de pompage du fluide dans un puits dans lequel le conduit est installé. En outre, de même que dans les formes de réali- sation précédentes, un oscillateur vibratoire tel que celui décrit dans le brevet n 4 487 554 précité, est utilisé pour faire vibrer la tige 11, en résonance dans un mode longitudinal de vibration. De plus, plusieurs blocs d'im- pulsion vibratoire 16 sont espacés le lona de la tioe 11 caUoLe dans les formes de réalisation précédentes. Chaque élément 16 d'impulsion comprend deux segments incurvés 41 et 43 qui forment ensemble un manchon cylindrique. Les segments 41 et 43 comportent des lèvres 41a et 43a, respectivement, qui se chevauchent mutuellement et qui permettent un mouvement de glissement entre les deux segments. Par consé- quent, les segments 41 et 43 sont libres de s'expanser vers l'extérieur en direction de la paroi intérieure du conduit 14 et de se déplacer vers l'intérieur en s'éloignant de la paroi sous l'effet des forces engendrées dans le système comme décrit ci-dessous. Des gorges annulaires 23 sont formées autour de la paroi extérieure du manchon cylindri- que, un intervalle annulaire 24 étant établi entre la paroi extérieure du manchon et la paroi intérieure du conduit 14. L'intervalle annulaire 24 est généralement de l'ordre de quelques centièmes de millimètre pendant le fonctionne- ment du dispositif, du fait de l'expansion radiale vers l'extérieur des segments 41 et 43 sous l'effet des forces qui leur sont imposées. En conséquence, pour obtenir le résultat final souhaité qui est d'opposer une impédance acoustique enpêchant le reflux, les dimensions longitu- dinales des segments 41 et 43 du manchon ne doivent être que de l'ordre de quelques centimètres et, pour un frotte- ment minimal elles peuvent être de 2,54 centimètres ou moins. Une bague 45 est montée fixement sur la tige 11 au moyen de goupilles 47. Les surfaces inférieures inclinées 41b et 43b des segments forment une surface com- plémentaire de "clapet" avec la surface 45a de la bague Un élément de butée 52 est monté fixement sur la tige 11 au moyen de goupilles 50 et a pour fonction de limiter le mouvement longitudinal de montée du manchon formé par les segments 41 et 43. L'élément de butée 52 présente plusieurs ouvertures 52a permettant l'écoulement d'un fluide. Le fonctionnement du dispositif d'impulsion est le suivant: lors de la course ascendante de la tige 11 sous l'effet de l'énergie vibratoire, la surface 45a porte contre les surfaces complémentaires 41b et 43b, fer- mant ainsi efficacement le "clapet" formé entre ces sur- faces complémentaires. Au même moment, une impulsion de pression est engendrée dans le liquide se trouvant au- dessus, cette impulsion agissant simultanément contre les surfaces supérieures 41c et 43c des segments du manchoni ce qui assure une fermeture serrée du "clapet" formé entre les surfaces 45a et les surfaces 41b et 43b. Ceci assure une impulsion de pression ascendante, puissante, faisant monter par pompage le liquide dans le conduit. Si l'élément de clapet à manchon cylindrique est réalisé en une matière élastomérique, les deux moitiés 41 et 43 peuvent être formées d'une seule pièce, en un cercle théoriquement complet, avec une seule ouverture lon- gitudinale ou un joint d'expansion 55. Cette configuration circulaire coupée, d'une seule pièce, utilisant l'élasti- cité, peut s'expanser ou se contracter, ou fléchir pour s'ajuster suffisamment étroitement au conduit 14 afin de former ledit petit intervalle 24 à haute impédance acous- tique. L'élément de butée 52 limite la course ascendan- te longitudinale des segments 41 et 43 du manchon pendant la- phase de "roue libre" du cycle de pompage, permettant au liquide sollicité verticalement de s'écouler librement à travers les ouvertures 52a et, dans le même temps, de minimiser le déplacement des segments et donc le temps demandé à la course de descente pour fermer le "clapet". L'intervalle 54 entre l'élément 52 de butée et les segments du manchon est généralement de l'ordre de 3,2 à 12,7 mm. En référence à présent aux figures 10 et 11, on y voit représentée une modification de la forme de réali- sation des figures 7 à 9, destinée à être utilisée pour le pompage de liquides à faible viscosité, comme dans des puits dans lesquels de l'eau est mélangée en pourcentage élevé, au pétrole brut. Cette variante fonctionne de façon à fermer hermétiquement les intervalles 55 formés entre les segments (voir figure 9), qui sont généralement de l'ordre de 3, 2 à 12,7 mm. Dans le cas, en particulier, d'une colonne usée, les intervalles 55 peuvent devenir assez importants, pendant le cycle de vibration, pour per- mettre une fuite importante de liquide à faible visco- sité. On remédie à ce problème en fixant des pattes rap- portées 56 d'étanchéité sur le segment de manchon 43 au moyen de goupilles 62, ces éléments rapportés s'ajustant dans des gorges complémentaires 60 formées dans le segment 41. Ceci obture efficacement l'intervalle 55 tout en permettant un mouvement radial entre les segments 41 et 43. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système de pompage décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de pompage d'un fluide hors d'un puits comprenant une colonne tubulaire (14) destinée à conduire le fluide et descendant dans le puits, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte une colonne (11) de tiges réalisée en une matière élastique, logée à l'inté- rieur de la colonne tubulaire le long de laquelle elle s'étend et de laquelle elle est espacée, un générateur de vibratiobn destiné à fournir de l'énergie vibratoire à la colonne de tiges, à une fréquence provoquant une vibration résonnante à ondes stationnaires de la colonne de tiges, et plusieurs organes d'impulsion vibratoires (16) montés fixement sur la colonne de tiges à intervalles le long de celle-ci, chaque organe d'impulsion comportant un corps cylindrique ayant une partie allongée (22) dont le diamètre extérieur est légèrement inférieur au diamètre intérieur de la colonne tubulaire de façon à former un intervalle annu- laire étroit (24) entre eux, cet intervalle annulaire étant rempli de fluide afin de former un anneau de fluide qui oppose une impédance de masse acoustique formant un joint dynamique fluide qui assure l'étanchéité aux fuites en reflux, autour de ladite partie du corps, l'énergie vibratoire produisant une action de pompage par les élé- ments d'impulsion afin de faire remonter le fluide par pompage dans le puits, le long de la colonne tubulaire. 2. Système selon la-revendication 1, caracté- risé en ce que ladite partie du corps comporte des moyens (20a, 20b) destinés à aider à l'obturation étanche s'oppo- sant aux fuites en retour. 3. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les organes d'impulsion comprennent plu- sieurs clapets de retenue formés de façon à permettre le passage d'un fluide en réponse à des composantes latérales d'impulsion de pression de fluide agissant à peu près perpendiculairement à l'action longitudinale de la colonne de tiges. 4. Système selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les clapets de retenue comprennent plu- sieurs lames allongées élastiques (30), des fentes (36) formées dans le corps des organes d'impulsion et corres- pondant aux lames, et des moyens (32) destinés à suppor- ter ces lames dans des positions opposées auxdites fentes afin qu'elles ferment lesdites fentes, chaque lame étant commandée par lesdites composantes latérales d'impulsion de pression du fluide afin d'ouvrir les fentes pour per- mettre l'écoulement du fluide par celles-ci. 5. Système selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens destinés à supporter les lames comprennent une bride (33.) destinée à brider l'une des extrémités des lames sur le corps de l'organe d'impulsion. 6. Système selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les clapets de retenue comprennent plusieurs clapets à billes (20a, 20b), des sièges complémentaires (19a) de clapet étant formés, pour les clapets à billes, dans les corps des organes d'impulsion, siège dans lesquels les cla- pets à billes sont normalement logés, lesdits clapets à billes étant entraînés par les composantes latérales d'im- pulsion de pression du fluide de façon à s'ouvrir pour per- mettre l'écoulement du fluide par ces clapets. 7. Système selon la revendication 6,caractérisé en ce que les clapets à billes sont disposés en groupe entou- rant la circonférence du corps cylindrique. 8. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les organes d'impulsion ne sont fixés que par une extrémité à la colonne de tiges. 9. Système selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le corps cylindrique des organes d'impul- sion est conçu pour se déplacer vers l'extérieur en direction de la colonne tubulaire sous l'effet de l'énergie vibratoire afin de rétrécir l'anneau de fluide for- mé entre les organes d'impulsion et les organes tubulaires, des surfaces(45a) de clapets étant fixées à la colonne de tiges et les organes d'impulsion présentant des surfaces (41b, 43b) destinées à entrer en contact complémentaire avec les surfaces (45a) de clapets en réponse à ladite énergie vibratoire, de façon à former des clapets de rete- nue. 10. Système selon la revendication 9, caracté- risé en ce que les corps cylindriques sont formés chacun de deux moitiés complémentaires constituant des segments (41, 43) qui se chevauchent et qui peuvent se déplacer radialement l'un par rapport à l'autre. 11. Système selon la revendication 10, caracté- risé en ce que des intervalles (55) sont formés entre les parties chevauchantes des segments, des pattes rapportées (56) étant montées sur lesdits segments afin de fermer ces intervalles.