Brevet FR2598470A1 — publié le 19871113

La présente invention concerne d'une manière générale des pompes de puits immergées et en particulier un dispositif d équilibrage de poussée pour une pompe à cavité progressive entraînée en rotation par un moteur de pompe immer5 gée. Les pompes à cavité progressive, appelées quelquefois pompes "Moineau", ont été utilisées pendant de nombreuses années. Ces types de pompes comportent un stator et un rotor. Le stator est en un élastomère formé avec un 10 alésage interne présentant une configuration à hélice double. Le rotor présente une configuration à hélice simple et il est formé normalement en métal. La rotation du rotor amène le fluide à être pompé à partir d'une extrémité du stator vers l'autre extrémité de celui-ci. Ces pompes ont été utilisées dans une certaine mesure dans les puits de champs pétrolifères. Normalement le stator est monté à l'extrémité inférieure du tubage qui est descendu dans le puits. Le rotor est descendu sur un train de tiges de commande et il est introduit dans le stator. Le 20 train de tiges est entraîné en rotation à partir de la surface, normalement par un moteur électrique. Le fluide est aspiré à partir de l'espace annulaire dans le cuvelage, vers et dans l'extrémité inférieure du stator et il est pompé vers la surface à travers le tubage. On a fait déjà diverses propositions en vue d'utiliser un moteur immergé afin d'éliminer la nécessité d'avoir à prévoir des tiges s'étendant jusqu'à la surface. Le motor est alors situé en dessous de la pompe pour entraîner en rotation le rotor. Un problème que l'on rencontre avec 30 les systèmes à moteur de pompe immergé, est qu'une poussée très importante s'exerce sur le rotor dans des puits profonds..Cette poussée est due à la pression s'exerçant sur l'extrémité de sortie de la pompe. Cette pression crée une force vers le bas s'exerçant sur le rotor. Des paliers 35 axiaux importants seraient nécessaires pour pouvoir absorber cette poussée vers le bas. Or la dimension des paliers axiaux est nécessairement limitée par le petit diamètre de la pompe. - -. La pompe à cavité progressive du système suivant " i 0 l'invention utilise un moteur de pompe immergé en fond de puits. Un dispositif réducteur de poussée est utilisé pour réduire la poussée vers le bas s'exerçant sur le rotor. Ce dispositif réducteur de poussée comporte un piston qui est monté au sommet du rotor et qui est logé dans un alésage -0 situé au-dessus du rotor et en dessous du tubage. Un passage À - -- de dérivation s étend autour de l'alésage, vers le tubage, pour le refoulement du fluide pompé h partir de la pompe. Un passage de l'espace annulaire s'étend h partir de l'extérieur vers le sommet du piston, afin d'appliquer la pression du fluide de l'espace annulaire au sommet du piston. Le côté inférieur du piston est exposé à la pression du fluide refoulé. Cette pression du fluide refoulé est bien supérieure à la pression du fluide dans l'espace annulaire, ce qui se traduit par une force résultante dirigée vers le haut. La force s'exerçant vers le haut sur le piston tire le rotor vers le haut afin de réduire la poussée vers le bas s'exerçant sur le rotor. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en élévation schématique d'une pompe à cavité progressive installée dans un puits et V- 25 utilisant un moteur. de pompe immergé. - _ - - - La figure 2 est une vue en coupe axiale, à plus grande échelle, d'un appareil réducteur de pression destiné à être utilisé dans le système de la figure 1. Si on se réfère à la figure 1, on voit que l'instal30 lation à pompe à cavité progressive est logée dans un puits 11 qui contient un cuvelage 12. Un moteur électrique 13 est logé dans le puits. Ce moteur électrique 13 est d'un type utilisé avec des pompes centrifuges immergées. Le moteur 13 est alimenté en courant alternatif fourni à travers un câble d'alimentation 17, à partir d'une source d'alimentation électrique 15 en surface. Le moteur 13 peut comporter un réducteur 19 à son extrémité supérieure afin de réduire la vitesse de rotation. L'arbre (non représenté) partant du réducteur 19 s'étend à travers une section d'étanchement 21, afin d'entraîner une 5 pompe à cavité progressive 23. La section d'étanchement sert à séparer d'une manière étanche le lubrifiant dans le réducteur 19 et le moteur 13 du fluide dans le puits. La section d'étanchement 21 réduit également la différence de pression entre le fluide du puits dans le cuvelage 12 et le 10 lubrifiant dans le moteur 13. La pompe 23 comprend un orifice d'admission 25 pour aspirer le fluide du puits à partir de l'espace annulaire 27 du cuvelage 12. La pompe 23 pompe le fluide à partir de l'espace annulaire 27, à travers le tubage 29, jusqu'à la surface. Si on se réfère à la figure 2, on voit que la pompe 23 comporte un stator 31 qui est logé à l'intérieur d'un corps de stator 33.Le stator 21 est une garniture en élastomère logée dans le corps 33. Le stator 31 présente un alésage à double hélice s'étendant à travers lui, afin de re20 cevoir un arbre rotatif ou rotor 35. Le rotor 35 est entraîné par l'arbre d'entraînement (non représenté) du moteur 13. Le rotor 35 a une configuration à hélice unique, ce qui amène ses extrémités à effectuer un mouvement orbital ou à se déplacer dans des directions radiales lorsqu'il tourne. 25 Un manchon 37 est fixé à l'extrémité supérieure du corps 33 du stator. Le manchon 37 comporte une tête adaptatrice 39 vissée dans son extrémité supérieure. Cette tête adaptatrice 39 a une extrémité supérieure filetée 41 qui est vissée dans l'extrémité inférieure du tubage 29. L'extrémité 30 supérieure filetée 41 présente une cavité supérieure 43 qui communique avec l'intérieur du tubage 29. La tête adaptatrice 39 comporte également une extrémité inférieure filetée 45 qui s'étend vers le bas dans le manchon 37. Un cylindre 47 est fixé à l'extrémité inférieure 35 filetée 45. Ce cylindre 47 s'étend vers le bas dans le manchon 37 et il contient un alésage 49. L'extrémité inférieure du cylindre 47 est supportée concentriquement dans le man- chon 37 au moyen d'un organe de centrage 51. Cet organe de centrage 51 est percé de trous 53 pour le passage du fluide. Le diamètre externe du cylindre 47 est plus petit 5 que le diamètre interne du manchon 37, en définissant ainsi un jeu de dérivation annulaire 55. L'extrémité inférieure du cylindre 47 se termine à une distance sélectionnée au-dessus de l'extrémité supérieure du stator 31, en formant ainsi une chambre de refoulement 57. La chambre de refoulement 57 10 communique avec le jeu de dérivation 55. Un ou plusieurs passage de dérivation 59 s'étendent à travers la tête adaptatrice 39 pour faire communiquer le jeu de dérivation 55. avec la cavité supérieure 43. Ainsi qu'il est indiqué par les flèches 61, le fluide refoulé à partir de l'extrémité 15 supérieure du stator 31 s'écoule à partir de la chambre de refoulement 57, à travers le jeu de dérivation 55, le passage de dérivation 59, la cavité supérieure 43 et vers le haut à travers le tubage 29. Un piston 63 est logé à rotation, d'une manière 20 étanche, à l'intérieur de l'alésage 49 du cylindre 47. Ce piston 63 est un organe tubulaire ayant une surface externe cylindrique qui est logée à coulissement, d'une manière étanche, dans l'alésage 49. Des évidements annulaires 65 sont ménagés dans la section centrale à la fois de l'alésage 25 49 et du piston 63. Ces évidements 65 réduisent la surface de contact entre le piston 63 et l'alésage 49, pour diminuer en conséquence les pertes par frottements. Le piston 63 comporte une tige 67 qui a une extrémité inférieure filetée 69. Cette extrémité inférieure 30 filetée 69 est fixée dans un organe d'accouplement 71 formé h l'extrémité supérieure du rotor 35. La tige 67 s'étend vers le haut à l'intérieur du piston 63. La tige 67 comporte un épaulement 73 formé à l'intérieur du piston 63. Cet épaulement 73 constitue l'extrémité inférieure d'une tête 74 de 35 grand diamètre qui est logée d'une manière étanche à l'intérieur du piston 63. Cette tête 74 a une extrémité supérieure filetée 75 qui s'étend à travers l'extrémité supérieure du piston 63. Un écrou 77 est utilisé pour serrer l'extrémité supérieure filetée 75 sur le piston 63, en tirant fermement l'épaulement 73 contre l'épaulement formé à l'intérieur du piston 63. Un joint d'étanchéité 79, placé sur la tête 74, assure l'étanchement de l'intérieur du pis5 ton 63. L'extrémité supérieure filetée 75 de la tige 67 est espacée d'une courte distance en dessous de l'extrémité inférieure filetée 45 de la tête adaptatrice 39. Une cavité inférieure 81 est formée dans l'extrémité inférieure filetée 45. Un passage 83 s'étend à partir de la cavité inférieure 10 81 vers l'extérieur de la tête adaptatrice 39. Le passage 83 est considéré présentement comme étant un passage de l'espace annulaire 83. Ainsi qu'il est indiqué par les flèches 85, le passage 83 de l'espace annulaire permet au fluide du puits, dans l'espace annulaire 27 du cuvelage 12, de communiquer avec la cavité inférieure 81 et d'agir contre l'extrémité supérieure du piston 63. En fonctionnement le moteur 13 est alimenté en énergie électrique à travers le câble d'alimentation 17, à par20 tir de la source d'alimentation 15, ce qui amène le rotor 35 à tourner. Cette rotation amène l'extrémité supérieure du rotor, à l'endroit de l'organe d'accouplement 71, à effectuer un mouvement orbital. Autrement dit non seulement cet organe tourne mais encore il effectue un mouvement alterna25 tif dans le sens radial pendant sa rotation. La tête 74 de la tige 67 est montée rigidement sur le sommet du piston 63 et de ce fait elle ne peut pas se déplacer radialement, comme son extrémité inférieure 69. La tige allongée 67 fléchit sur sa longueur pour pouvoir permettre le mouvement 30 orbital de l'extrémité inférieure 69. La rotation du rotor 35 amène le fluide à être aspiré dans l'orifice d'admission 25 et à être pompé dans la chambre de refoulement 57. Le fluide du puits s'écoule ensuite à travers les trous 53, le jeu de dérivation 55, le 35 passage de dérivation 59, et la cavité supérieure 43, pour pénétrer dans le tubage 29 à travers lequel il est conduit vers la surface. Par suite de l'extrémité inférieure ouverte de l'alésage 49, la pression du fluide de décharge est également appliquée au piston 63. La pression du fluide du puits dans l'espace annulaire 27 est transmise au sommet du piston 63 5 au moyen du passage 83 de l'espace annulaire et de la cavité inférieure 81. Une force est exercée vers le bas sur le piston 63, par la pression du fluide dans l'espace annulaire, mais cette force est normalement très faible parce que le niveau du fluide dans l'espace annulaire n'est pas très 10 loin au-dessus de la pompe 23. Une force est exercée vers le haut sur le piston 63 par la pression du fluide refoulé. Ce piston 63 a le même diamètre à son extrémité inférieure et à son extrémité supérieure. Cependant la force résultante est orientée vers le haut parce que la pression du fluide refou15 lé est bien supérieure à la pression du fluide dans l'espace annulaire. La pression résultante vers le haut s'exerçant sur le piston 63 sollicite vers le haut la tige 67 et par conséquent sollicite vers le haut le rotor 35. En même temps une force orientée vers le bas s'exer20 ce sur le rotor 35 par suite de la pression dans la chambre de refoulement 57. La force vers le bas agissant sur le rotor 35 est réduite de la valeur de la force vers le haut agissant sur le piston 63. Etant donné que la pression exercée par le fluide dans l'espace annulaire 27 est faible par 25 rapport à la pression exercée sur le piston 63 par la pression de la pompe, les forces vers le haut et vers le bas qui s'exercent sur le rotor 35, sont pratiquement égales l'une à l'autre. Le piston 63 est libre de se déplacer vers le haut et vers le bas d'une légère distance dans l'alésage 49, afin 30 d'équilibrer la poussée sur le rotor 35. Le jeu entre la tige 67 et la paroi interne du piston 63 permet un certain mouvement de translation de la tige 67 tandis qu'elle fléchit. De préférence le diamètre de la tige 67 est déterminé par la charge de poussée s'exercant 35 sur le piston 63 et il est habituellement moins de la moitié de celui du piston 63.La longueur de la tige 67 est déterminée par la flexibilité radiale requise et elle est habituellement d'au moins dix fois son diamètre. L'invention présente des avantages notables. Le dispositif réducteur de poussée réduit l'intensité de la poussée vers le bas s'exerçant sur le rotor. Ceci réduit les exigences en matière d'encaissement de charge pour les 5 paliers axiaux logés à l'extrémité inférieure du rotor. La chambre de poussée est d'une contruction simple et elle permet le mouvement orbital du rotor. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de réduction de poussée destiné à être utilisé avec une pompe d'un puits comportant un arbre 5 rotatif logé dans un corps et entraîné en rotation par un moteur en fond de puits disposé en dessous de l'arbre rotatif, afin de pomper le fluide à partir de l'espace annulaire du puits en direction de la surface, à travers un tubage monté au-dessus du corps, caractérisé en ce qu'il comprend 10 un piston (63) monté au sommet de l'arbre rotatif (35) et logé dans un alésage (49), un passage de dérivation (55) s'étendant le long de l'alésage (49), vers le tubage (29), afin de laisser passer, en direction de ce tubage, le fluide qui est pompé par la pompe (23) un passage (83) de 15 l'espace annulaire s'étendant à partir de l'espace annulaire (27) jusqu'à l'alésage (49), au- dessus du piston (63), pour mettre en communication le fluide se trouvant dans l'espace annulaire avec le sommet du piston (63), la face inférieure du piston (63) étant exposée au fluide refoulé pompé par la 20 pompe, afin d'appliquer la pression du fluide refoulé à la face inférieure du piston (63) et de créer une force s'exerçant vers le haut sur l'arbre rotatif (35), afin de contrebalancer la poussée s'exerçant vers le bas sur cet arbre rotatif (35). 2.- Dispositif de réduction de poussée destiné à être utilisé avec une pompe d'un puits comportant un arbre rotatif logé dans un corps et entraîné en rotation par un moteur en fond de puits disposé en dessous de l'arbre rotatif, afin de pomper le fluide à partir de l'espace annulaire 30 du puits en direction de la surface, à travers un tubage monté audessus du corps, caractérisé en ce qu'il comprend un alésage (49) ménagé dans un corps (47,39) et dont l'extrémité inférieure est soumise à la pression du fluide refoulé par la pompe (23), un passage de dérivation (55) dans 35 le corps (47), s'étendant le long de l'alésage (49), afin de laisser passer, en direction du tubage (29), le fluide refoulé par la pompe (23), un piston (63) qui est monté au sommet de l'arbre rotatif (35) de manière à tourner avec celui-ci, et qui est logé à rotation, d'une manière étanche, dans l'alésage (49), la face inférieure du piston (63) étant soumise à la pression du fluide refoulé par la pompe, un passage (83) de l'espace annulaire s'étendant à travers 5 le corps (47,39) jusqu'à l'alésage (49), au-dessus du piston (63), pour appliquer la pression du fluide se trouvant dans l'espace annulaire (27) sur la face supérieure du piston (63), la pression du fluide dans l'espace annulaire (27) étant inférieure à la pression du fluide refoulé afin de créer une force s'exerçant vers le haut sur le piston (63), cette force tirant vers le haut l'arbre rotatif (35) afin de réduire la poussée résultante s'exerçant vers le bas sur l'arbre rotatif (35). 3.- Installation comportant une pompe de puits à 15 cavité progressive pour pomper un fluide à partir de l'espace annulaire du puits, à travers un tubage, en direction de la surface, caractérisée en ce qu'elle comprend un stator (31), un corps (33) monté sous le stator (31) dans le tubage, un rotor hélicoïdal (35) monté à rotation dans le stator 20 (31), un moteur (13) monté à l'extrémité inférieure du rotor (35) afin d'entraîner en rotation ce rotor (35), un alésage (49) disposé dans un corps (47,39) et ayant son extrémité inférieure exposée à la pression du fluide refoulé par la pompe, un passage de dérivation (55) dans le corps (47), ce 25 passage s'étendant le long de l'alésage(49) pour permettre le passage du fluide refoulé par la pompe en direction du tubage (29), un piston (63) monté à rotation, d'une manière étanche, dans l'alésage (49), ce piston ayant un intérieur creux, une tige (67) dont l'extrémité inférieure est fixée 30 rigidement au sommet du rotor (35), afin de se déplacer avec celui-ci, cette tige (67) s'étendant vers le haut dans l'intérieur- creux du piston (63) et étant fixée au piston (63), au sommet de celui-ci, afin de se déplacer conjointement avec ce dernier, la longueur et le diamètre de la tige (67) 35 permettant une flexion de la tige due au mouvement orbital de l'extrémité supérieure du rotor (35), et un passage (83) de l'espace annulaire s'étendant à travers le corps (47, 39) jusqu'au-dessus du piston (63), afin d'appliquer la pression du fluide dans l'espace annulaire (27) à la face supérieure du piston (63), la pression du fluide dans l'espace annulaire (27) étant inférieure à la pression du fluide refoulé, ce qui se traduit par une force vers le haut s'exerçant sur le 5 piston (63), force qui, en agissant par l'intermédiaire de la tige (67), tire vers le haut le rotor (35), afin de réduire la poussée résultante vers le bas s'exerçant sur le rotor (35). 4.- Procédé pour réduire la poussée sur l'arbre 10 rotatif d'une pompe logée dans un puits et du type comportant un arbre rotatif disposé dans un corps et entraîné en rotation par un moteur en fond de puits se trouvant en dessous de l'arbre rotatif, afin de pomper le fluide à partir de l'espace annulaire du puits vers la surface, à travers un 15 tubage monté au-dessus du corps, caractérisé en ce qu'on monte un piston (63) sur le sommet de l'arbre rotatif (35) et on le loge dans un alésage (49) se trouvant en dessous du tubage (29), on prévoit un passage de dérivation (55) pour refouler le fluide provenant de la pompe (23), afin de met20 tre en dérivation l'alésage (49) et de permettre l'écoulement du fluide vers et dans le tubage (29), on applique la pression du fluide dans l'espace annulaire (27) du puits au sommet du piston (63), et on applique la pression du fluide refoulé à la face inférieure du piston (63) , de manière à 25 créer une force résultante vers le haut sur le piston (63), pour tirer vers le haut l'arbre rotatif (35) et réduire la poussée s'exerçant vers le bas sur cet arbre rotatif (35).