Brevet FR2620767A1 — publié le 19890324

DISPOSITIF DE CENTRAGE DE STRUCTURES TUBULAIRES DANS UNE CANALISATION DE PUITS DE PETROLE La présente invention concerne la production de pétrole et en particulier un dispositif de centrage pour centrer les structures tubulaires et/ou les outils dans une canalisation de puits. Le pétrole est prélevé dans des formations souterraines par l'intermédiaire d'une canalisation de production tubulaire formée par une colonne de tiges s'étendant jusqu'à la surface. L'huile est exhaussée à travers la canalisation sous l'action d'une pompe de puits mise en marche par une colonne de structure tubulaire incluant une pluralité de tiges de pompage et/ou au moins une tige polie. Depuis quelques années, les puits dirigés et déviés sont devenus très courants dans de nombreux champs de pétrole. En outre, on utilise l'injection de vapeur pour l'huile brute lourde et très lourde afin d'améliorer la production de pétrole. Dans nombre de ces puits, on trouve une tige polie qui se déplace à travers un presse-étoupe. Fréquemment, cette tige polie ainsi que la tige de piston associée à la pompe souterraine ou de puits présente des défaillances car les forces alternatives qui agissent sur la tige de pompage ne sont pas parfaitement alignées et centrées avec le presse-étoupe et/ou la pompe souterraine. Il s'ensuit qu'il se crée des forces radiales indésirables qui provoquent une usure non uniforme des divers composants et aboutissent à des fuites de pétrole ainsi qu'à des défaillances prématurées de la pompe. Les spécialistes connaissent divers dispositifs pour tiges de centrage et de guidage et/ou structures tubulaires comme des tiges de pompage dans une canalisation de production tubulaire. L'un des types de dispositifs présente plusieurs rouleaux pour entrer en contact avec la canalisation tubulaire et maintenir l'espacement désiré entre la canalisation tubulaire et la structure ou outil tubulaire alternatif. Les brevets américains N 2 466 239 de Holcombe, 2 601 478 de Weir et 4 577 327 de Kinley et coll présentent de tels dispositifs. Les spécialistes connaissent également des dispositifs de centrage et de guidage ayant des éléments de contact fixe. Le brevet américain Ne 2 722 432 de Tschirley présente un collier élastomérique ayant une rangée de protubérances ou saillies attachées à une canalisation de forage. Les saillies aident à maintenir la séparation désirée entre la canalisation et le tubage qui l'entoure. Le brevet américain N 3 938 853 de Jurgens et coll présente un dispositif stabilisateur analogue fixé à un collier de forage. Le dispositif comprend un manchon interne et un manchon externe avec une série de nervures hélicoïdales s'étendant longitudinalement. Le principal défaut de l'utilisation d'éléments de contact fixes tels que ceux-ci est leur tendance a s'user rapidement par frottement. Plus récemment, on a mis au point pour résoudre le problème du frottement un dispositif centreur comprenant un dispositif de couplage ayant un corps cylindrique et plusieurs roues lenticulaires positionnées dans des fentes dans le corps. Pour réduire au minimum les éraflures de la paroi des tubes, les éléments roues sont formés d'une matière non abrasive dure comme le nylon dur. Le brevet américain NO 4 621 690 de Klyne présente un tel dispositif. Un grand nombre de ces dispositifs lorsqu'on les teste dans des puits ayant une température supérieure à 260 C, ne peuvent fonctionner pendant longtemps en répondant à des exigences élevées. Souvent les composants non métalliques des dispositifs sont les points faibles car ils ne peuvent résister aux conditions critiques régnant dans les puits de pétrole. Dans les dispositifs comportant des roues, la défaillance est souvent le résultat de l'absence de contact d'un nombre suffisant de roues avec les tubes de la canalisation de production. L'invention a donc pour objet de fournir un dispositif de centrage qui peut être utilisé avec différentes structures ou outils de puits de pétrole pour centrer les structures dans la canalisation de production. Un autre objet de l'invention est de fournir un dispositif de centrage tel que ci-dessus qui réduit les forces de frottement entre les structures et la canalisation de production qui les entoure. L'invention a encore pour objet de fournir un dispositif de centrage tel que ci-dessus capable de résister aux conditions typiques de service dans les puits de pétrole. Ces objets de l'invention ainsi que d'autres qui apparaitront par la suite sont atteints à l'aide d'un dispositif de centrage de structures dans une canalisation de production pour retirer l'huile d'une formation souterraine, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de corps allongé, sensiblement cylindrique, ayant un axe de symétrie longitudinal, au moins une fente s'étendant à travers ledit élément, et un élément tournant dans chaque fente monté de manière excentrée par rapport audit axe longitudinal pour entrer en contact avec une paroi de ladite canalisation afin de centrer lesdites structures dans ladite canalisation. Ce dispositif permet de centrer une tige polie et/ou une tige de piston. Le dispositif de centrage de l'invention est encore caractérisé par des alésages taraudés s'étendant longitudinalement à chaque extrémité pour lui permettre d'être joint à plusieurs structures tubulaires ou non tubulaires. Ainsi, le dispositif de centrage pourrait être positionné de manière intermédiaire entre une tige polie et une tige de pompage pour centrer la tige polie dans la canalisation de production lorsque la tige se déplace dans un presse-étoupe; Le dispositif de centrage pourrait également être positionné de manière intermédiaire entre une tige de pompage et une tige de piston de pompe souterraine pour les centrer et les aligner correctement dans la canalisation de production. On a trouvé que le dispositif de centrage de l'invention réduit les forces de frottement radial indésirables qui peuvent aboutir à une défaillance des diverses structures et outils utilisés dans la production des puits de pétrole. En outre, le dispositif de centrage de l'invention peut être utilisé dans des environnements de puits chauds ou froids. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre illustratif et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle du dispositif de centrage de l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1 présentant une roue montée dans une fente, - la figure 3 est une vue en coupe montrant la relation entre les roues et les tubes de production, - la figure 4 est une vue schématique en coupe partielle d'une partie du dispositif de centrage de la figure 1 montrant le montage d'une roue dans une fente, - la figure 5 est une vue en coupe d'une partie du dispositif de centrage de la figure 1 montrant le montage excentré de la roue dans une fente, - la figure 6 est une vue en coupe d'une configuration de roue préférée. Comme il a été dit plus haut, le dispositif de centrage 10 de l'invention peut être utilisé pour positionner un certain nombre de composants ou outils différents dans une canalisation de production de pétrole. Ainsi, on peut le placer au niveau du raccord inférieur d'une structure tubulaire 12 comme une tige polie pour compenser tout défaut d'alignement du système. On peut également le placer au niveau du raccord supérieur d'une structure tubulaire 14 comme 1 une tige de piston pour la centrer. Si l'on se réfère maintenant aux figures, le dispositif de centrage 10 est formé par un élément de corps allongé sensiblement cylindrique 16 ayant la longueur et le diamètre désirés. Ainsi, l'élément 16 peut être fabriqué dans des diamètres de calibre de 19,05mm, 22,22mm, 25,4mm, 28, 57mm, 31,75mm et 38,lmm pour répondre aux tiges polies et aux tiges de piston que l'on trouve dans le commerce. L'élément 16 peut être formé de n'importe quelle matière appropriée pour utilisation dans les puits chauds et froids comme 2 l'acier trempé et revenu. L'élément de corps 16 est muni d'une ou plusieurs surfaces ou parties planes 28 pour permettre une torsion du dispositif de centrage. En outre, l'élément 16 présente des manchons 30 taraudés s'étendant longitudinalement à chaque extrémité pour permettre de relier le dispositif de centrage à n'importe quei outil, pièce d'équipement ou structure tubulaire désirés ayant des raccords mâles filetés qui s'y adaptent. Plusieurs fentes 18 sont usinées dans l'élément de corps 16 dans le but de loger plusieurs éléments tournant 20, tels que des roues ou des rouleaux qui servent à centrer l'élément 16 et toute structure pouvant y être reliée dans le tube de production 22. Chaque fente 18 s'étend de préférence transversalement à travers l'élément 16 et est orientée de manière à avoir sa dimension longitudinale essentiellement parallèle à l'axe longitudinal A de symétrie de l'élément 16. Bien que chaque fente puisse avoir n'importe quelle largeur désirée, on préfère qu'elle soit tout juste légèrement plus large que l'épaisseur t de la partie centrale de l'élément tournant 20 de manière à limiter essentiellement la rotation de l'élément 20 à un plan pratiquement parallèle à l'axe A. Les fentes 18 s'étendent sur le pourtour de l'élément de corps 16 et dans une disposition préférée sont fixées à un angle d'environ 45' entre les fentes adjacentes. En outre, dans cette disposition préférée, elles sont encore disposées de manière à former un ensemble hélicoïdal. On a trouvé qu'en fournissant un tel ensemble, la surface totale de l'élément tournant en contact avec le tube de production est augmentée. En outre, les forces agissant par élément tournant sont essentiellement diminuées, ce qui améliore ainsi la durée de service du dispositif de centrage 10 comme du tube de production. De plus, la probabilité d'une défaillance de l'élément tournant est réduite par comparaison avec d'autres dispositions car les forces agissent généralement dans un sens essentiellement perpendiculaire à l'élément tournant. Si on se réfère maintenant aux figures 2 et , un élément tournant 20 est monté aux fins de rotation dans chaque fente 18 autour d'un axe B qui est espacé ou excentré par rapport a l'axe longitudinal A. La distance de déport D entre l'axe longitudinal A et l'axe de rotation B est fonction de la matière qui forme l'élément tournant 20 et de la matière et du diamètre de la canalisation de production 22. Pour la plupart des applications, la distance de déport est comprise dans un intervalle allant d'environ lmm à environ 15mm, en particulier d'environ 5mm à environ 1Omm. L'axe de rotation B pour chaque élément tournant 20 est défini par une broche 24 ayant ses extrémités positionnées dans des alésages 26. On peut utiliser n'importe quel moyen approprié (non représenté) connu des spécialistes pour bloquer la broche 24 en position. De préférence, chaque broche 24 est orientée de manière sensiblement transversale par rapport à l'axe longitudinal A ainsi que la dimension longitudinale de la fente. Bien que la broche 24 puisse être formée de n'importe quelle matière appropriée connue des spécialistes, on préfère former la broche avec un acier trempé et revenu. Chaque élément tournant 20 est monté aux fins de rotation autour de la broche stationnaire 24 par un pallier en fonte lisse 27. On a trouvé que l'utilisation d'un tel pallier améliore la durée de service de l'élément tournant en partie à la suite de la résistance élevée à l'usure du palier. Si l'on se réfère maintenant à la figure 6, l'élément tournant 20 a une partie centrale 32 dont l'épaisseur t est suffisamment grande pour fonctionner comme butée afin de réduire au minimum les forces de frottement entre l'élément de corps cylindrique 16 et l'élément 20. L'élément 20 est encore caractérisé par les parties intermédiaires 34 sur chacun des côtés de la partie centrale 32 ayant une épaisseur T et une partie d'extrémité 36 qui est de préférence de section semi-circulaire et dont le rayon est essentiellement égal à la moitié de l'épaisseur T. On a trouvé qu'en fournissant de telles parties d'extrémité semi- circulaires, on maximise la surface de contact par élément tournant. Le diamètre de chaque élément 20 est naturellement fonction de la distance de déport D et du diamètre du tube 22. Comme on le voit dans la figure 3, le dispositif de centrage 10 fonctionne en ayant les le dispositif de centrage 10 fonctionne en ayant les 8 2620767 parties d'extrémité 36 des éléments tournant 20 en contact simultané avec la paroi interne du tube 22. On a trouvé que l'on peut améliorer la durée de service du dispositif de centrage 10 comme du tube de canalisation de production 22 en formant chacun des éléments tournant 20 à partir d'une matière ayant une dureté qui, dans les températures de fonctionnement des puits, généralement supérieures à 148,9 C, est d'au moins environ 50 unités Brinell (HB) à environ 150 unités Brinnel (HB), de préférence environ 50 HB de moins que la dureté de la matière formant le tube de production. On a trouvé qu'en utilisant une telle différence de dureté, on peut empêcher tout dommage apporté au tube de production. Les éléments tournant 20 peuvent être faits d'une matière non ferreuse comme des polymères thermodurcissables et/ou thermoplastiques ou d'une matière métallique comme un métal ou alliage métallique ferreux ou nonferreux. Les matières métalliques appropriées comprennent, sans s'y limiter, les alliages de cuivre ayant une dureté située dans un intervalle allant d'environ 50 HB à environ 200 HB et les aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques comme l'AISI 316 (référence américaine). Naturellement, la matière particulière choisie pour les éléments 20 dépend de la température et du caractère corrosif du puits, de la dureté du tube de canalisation de production, et de la profondeur du puits. Le tube de canalisation de production 22 peut être formé à partir d'API J55. Outre qu'elle améliore la durée de service, on a trouvé que la différence de dureté mentionnée ci-dessus réduit l'usure par frottement du tube due aux éléments tournants. Bien que l'élément 16 puisse avoir n'importe quel nombre désiré de fentes 18 et que le dispositif 10 puisse avoir n'importe quel nombre d'éléments tournants , on préfère qu'il y ait huit fentes et huit éléments tournants. Lorsqu'on l'utilise comme dispositif de centrage de tige polie, le dispositif 10 est relié d'aussi près que possible à l'extrémité inférieure de la tige polie. Lorsqu'on l'utilise comme dispositif de centrage de tige de piston, le dispositif 10 est relié de manière aussi étroite que possible à la tige de piston de la pompe souterraine non représentée. 1C Il apparaît qu'il a été fourni selon l'invention un piston de centrage pour une tige polie et/ou une tige de piston de pompe souterraine qui satisfait pleinement aux objets, moyens et avantages exposés ci-dessus. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec certains modes de réalisation spécifiques, il est évident que de nombreuses autres possibilités, modifications et variantes apparaîtront aux spécialistes à la lumière de la description qui précède. On vise donc à comprendre toutes ces autres possibilités, modifications et variantes qui relèvent de l'esprit et de la portée au sens large des revendications jointes. REVENDICATIONS 1) Dispositif de centrage de structures dans une canalisation de production pour retirer l'huile d'une formation souterraine, caractérisé en ce qu'il comprend un élément de corps allongé (16), sensiblement cylindrique, ayant un axe de symétrie (17) longitudinal, au moins une fente (18) s'étendant à travers ledit élément (16), et un élément tournant (20) dans chaque fente montée de manière excentrée par rapport audit axe longitudinal pour entrer en contact avec une paroi de ladite canalisation afin de centrer lesdites structures dans ladite canalisation (22). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre plusieurs fentes (18) et un élément tournant (20) monté de manière excentrée dans chacune desdites fentes. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que tous lesdits éléments tournants (20) sont en contact simultané avec ladite paroi de canalisation. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément tournant (20) est monté aux fins de rotation autour d'un axe (B) qui est sensiblement transversal audit axe longitudinal (A) et qui se situe dans un plan sensiblement parallèle à un plan contenant ledit axe longitudinal. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacun desdits axes de rotation est défini par une broche (24) montée dans ledit élément de corps (16). 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque élément tournant (20) est monté aux fins de rotation sur ladite broche (24) par un palier lisse en fonte. 7) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que chaque élément tournant (20) est formé d'une matière ayant une dureté qui est inférieure d'au moins environ 50 unités de dureté Brinnell à la dureté de la matière formant ladite canalisation de production pour protéger ladite canalisation de production (22). 8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de corps (16) possède des alésages taraudés (30) s'étendant longitudinalement a chaque extrémité, pour réunir ledit dispositif à plusieurs structures tubulaires. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'une desdites structures tubulaires est une tige polie (12) et l'autre desdites structures tubulaires est une tige de pompage et en ce que ledit dispositif centre ladite tige polie (12). ) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'une desdites structures tubulaires est une tige de pompage et l'autre desdites structures tubulaires est une tige de piston (14) pour pompe souterraine et en ce que ledit dispositif centre ladite tige de piston (14). 11) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits éléments tournants à une partie d'extrémité (36) semi-circulaire afin de fournir une surface de contact relativement grande.