Brevet FR2620766A1 — publié le 19890324

DISPOSITIF POUR CENTRER AU MOINS UNE TIGE DE POMPAGE DANS UNE CONDUITE DE PRODUCTION D'UN PUITS DE PETROLE. La présente invention se rapporte à la production du pétrole brut et notamment à un dispositif pour centrer au moins une tige de pompage et éviter l'usure de la conduite de production et de la tige de pompage en réduisant les forces de frottement qui se développent entre elles. Le pétrole brut est extrait des formations géologiques souterraines par une conduite de production tubulaire constituée d'un train de tubes allant jusqu'à la surface. Le pétrole est élevé dans la conduite par l'action d'une pompe installée dans le puits et actionnée par un train de tiges formant une tige de pompage qui est déplacée en va-et-vient à partir de la surface par un chevalet de pompage. Un train de tiges de pompage est constitué d'un grand nombre de tiges de pompage individuelles assemblées entre elles bout à bout. Chaque tige de pompage comporte une partie principale ayant un diamètre normalement compris entre 19mm et 38mm et une longueur de 15 mètres environ. Ces dernières années, les puits directionnels et déviés se sont largement répandus dans un grand nombre de champs pétrolifères. L'utilisation de trains de tiges de pompage dans les puits directionnels ou déviés a posé des problèmes. Le train de tiges, habituellement constitué en acier, tend à reposer contre le côté inférieur de la conduite de production et, avec le temps, le mouvement de va-et-vient du train de tiges tend à user la paroi de la conduite. Des problèmes supplémentaires résultent des techniques d'injection de vapeur utilisées pour accroître la production des pétroles bruts lourds et extra-lourds. Des essais ont été faits pour traiter les problèmes de frottement liés aux outils ou aux 2 2620766 structures tubulaires utilisés dans les conduites de production en incorporant dans celles-ci un dispositif de centrage servant à maintenir l'outil ou la structure tubulaire à distance du tube de la conduite de production et à réduire ainsi l'usure de la paroi du tube. Ces dispositifs de centrage on pris différentes formes et se présentent notamment soUS forme d'une série de bossages sur la surface extérieure d'un élément de raccord ainsi que de galets ou de roulement incorporés dans la structure de la tige de pompage. Le document de brevet des E.U.A. n' 2 722 462 de Tschirley représente un tel dispositif comportant un collier en élastomère muni d'une rangée de bossages ou saillies fixés sur une tige de sondage tubulaire. Les bossages du collier sont conçus pour maintenir la distance de séparation désirée entre la tige tubulaire et le coffrage qui l'entoure. Le document de brevet des E.U.A. né 3 938 353 de Jurgens et associés représente un dispositif de stabilisation similaire fixé sur une masse-tige. Ce dispositif comporte un manchon intérieur et un manchon extérieur avec une série de nervures hélicoïdales s'étendant en direction longitudinale. Il semble que le défaut principal de ces dispositifs réside dans leur tendance à s'user par suite du contact de frottement entre les éléments de centrage fixes et la conduite de production. Les documents de brevets des E.U.A. n' 2 466 239 de Holcombe, n' 2 601 748 de Weir et n' 4 577 327 de Kinley et associés représentent des dispositifs de guidage utilisant des galets ou des roulements. Chez Holcombe, plusieurs roues ou galets sont montés sur une tige par une disposition à ailette et plaque d'arrêt. Chez Weir, les billes de rouiement utilisées pour guider la tige de pompage sont disposées dans une série de rainures s'étendant en direction longitudinale et présentant des voies intermédiaires autour de la surface extérieure de la tige. Chez Kinley et associés, 3 2620766 le dispositif de centrage comporte plusieurs bras de centrage chargés par ressorts et munis d'une série de galets dans une partie centrale. Plus récemment, un dispositif de centrage comportant un organe de raccord avec un corps cylindrique et plusieurs roues lenticulaires disposées dans les fentes du corps a été réalisé. Pour diminuer le plus possible les rayures d'attaque de la paroi du tube, les roues sont constituées en une matière dure non abrasive telle qu'un polyamide dur. Le document de brevet des E.U.A. de Klyne représente un tel dispositif. Quand ils ont été essayés dans des puits o la température était supérieure à 260'C, un grand nombre de ces dispositifs n'ont pas eu une durée de vie active élevée. Il est fréquent que les composants non métalliques de ces dispositifs soient les maillons faibles parce qu'ils ne peuvent pas résister aux conditions critiques qui règnent dans les puits de pétrole. Dans les dispositifs à roues, il est en outre fréquent que la mise hors service soit due à ce que le nombre des roues en contact avec le tube de la conduite de production est trop faible. En conséquence, la présente invention a pour but de créer un dispositif de centrage d'un train de tiges de pompage à l'intérieur d'une conduite de production en réduisant les forces de frottement qui se développent entre la tige et la conduite. Un autre but de la présente invention est de créer un dispositif tel que ci-dessus capable de résister aux conditions de service que l'on rencontre dans les puits de pétrole. A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour centrer au moins une tige de pompage dans une conduite de production d'un puits de pétrole et pour réduire les forces de frottement entre la conduite et la ou les tiges de pompage ce dispositif 4 2620766 comportant un élément de corps allongé essentiellement cylindrique avec un axe longitudinal, plusieurs fentes à l'intérieur de cet élément, un élément tournant étant monté dans chaque fente, caractérisé en ce que chaque élément tournant est constitué en une matière ayant une dureté Brinnel inférieure d'au moins 50 unités Brinnel (HB) à la dureté de la matière dont est constituée la conduite de production, cette relation de dureté étant maintenue dans le temps à la température de service rencontrée en bas du puits, c'est-à-dire à des températures supérieures ou égales à 149C. Les matières appropriées pour les éléments tournants comprennent, sans y être limitées, les alliages de cuivre ainsi que les aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques. Une autre caractéristique de la présente invention consiste dans la disposition des fentes à l'intérieur des éléments de corps de manière à former une ligne hélicoïdale d'éléments tournants. Suivant une disposition préférentielle, les éléments tournants sont placés à trente degrés environ, notamment dans le sens des aiguilles d'une montre, par rapport aux éléments tournants voisins. On a constaté qu'en prévoyant une telle ligne, au moins trois éléments tournants à la fois pouvaient être placés en contact avec le tube de la conduite de production. L'élément de corps est de préférence constitué en acier trempé et revenu et est muni de logements ou alésages taraudés à chaque extrémité pour l'assemblage avec une série de tiges de pompage. L'emplacement et le nombre des dispositifs de centrage de tiges de pompage utilisés dans un train de tiges de pompage dépend de l'importance de la déviation et de la profondeur du puits. L'invention est décrite plus en détail ci- après en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: 2620766 - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif de centrage suivant la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif suivant la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe d'une partie du dispositif suivant la figure 1, cette vue représentant le montage d'un élément tournant dans une fente; - la figure 4 est une vue en coupe d'un élément tournant utilisé dans le dispositif suivant la figure 1. Conformément aux dessins, le dispositif de centrage 10 d'un train de tiges de pompage est constitué d'un élément de corps allongé 12 sensiblement cylindrique. L'élément 12 peut avoir une longueur et un diamètre quelconques désirés et peut être constitué en une matière appropriée quelconque telle que l'acier trempé et revenu. L'élément 12 peut être fabriqué, par exemple, aux calibres de l9mm, 22,2mm 25,4mm, 28, 6mm, 31,8mm et 38,lmm pour s'adapter aux tiges de pompage du commerce. L'élément de corps 12 peut aussi présenter une ou plusieurs surfaces planes ou méplats 28 pour permettre l'action d'une clé sur le dispositif de centrage. De plus, des logements ou alésages longitudinaux taraudés 30 peuvent être prévus à chaque extrémité pour permettre le raccordement du dispositif à une ou plusieurs tiges de pompage 32 ayant des broches d'extrémités filetées correspondant aux logements taraudés. Plusieurs fentes 14 sont usinées dans l'élément de corps 12 dans le but de loger plusieurs éléments tournants 16, tels que roues ou galets, qui servent à centrer le train de tiges de pompage à l'intérieur du tube de production et à réduire les forces de frottement entre les tiges et le tube. Chaque 6 2620766 fente 14 s'étend de préférence transversalement à travers l'élément 12 et est orientée pour que sa dimension longitudinale soit sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de l'élément 12. Bien que chaque fente puisse avoir une largeur quelconque désirée, il est préférable qu'elle soit juste légèrement plus large que l'épaisseur t de la partie centrale 24 de l'élément tournant 16, de manière à limiter essentiellement la rotation de l'élément 16 dans un plan sensiblement parallèle à l'axe longitudinal de l'élément 12. Les fentes 14 sont disposées d'une façon déterminée par rapport à l'élément de corps 12 et sont, de préférence, placées suivant un angle de trente degrés environ l'une par rapport à l'autre. Elles sont en outre disposées de manière à former une ligne hélicoïdale. On constate qu'en prévoyant une telle ligne, l'aire totale de la surface de l'élément tournant en contact avec le tube de production est plus favorable. En outre, les forces qui agissent sur chaque élément tournant sont sensiblement diminuées, ce qui augmente la durée de vie de service du dispositif 10 ainsi que du tube de production. De plus, la probabilité de la rupture de l'élément tournant est réduite par rapport aux autres dispositions car les forces agissent habituellement de façon sensiblement perpendiculaire à l'élément tournant. Un élément tournant 16, tel que roue, est monté dans chaque fente 14 pour tourner autour d'un axe défini par une broche (18) dont les extrémités sont disposées dans des alésages 20. Tout moyen approprié connu dans la technique peut être utilisé pour verrouiller chaque broche (18) dans les alésages 20. Suivant une disposition préférentielle, la broche 18 est orientée de façon sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'élément de corps ainsi qu'à la dimension longitudinale de la fente. Chaque broche est de préférence constituée en acier trempé et revenu. 7 2620766 L'élément 16 est monté pour tourner autour de la broche 18 par un palier interposé 22. On a constaté que l'utilisation d'un palier interposé 22 augmentait la durée de vie de service de l'élément tournant. Tout palier approprié, tel qu'un palier lisse en fonte, peut être utilisé pour le palier 22. Conformément & la figure 4, l'élément tournant 16 comporte une partie centrale 24 ayant une épaisseur t qui est suffisamment grande pour permettre & l'élément 16 d'agir comme un palier de butée en vue de réduire le plus possible les forces de frottement qui se développent entre l'élément de corps cylindrique 12 et lui-même. L'élément 16 comporte en outre, d'un côté et de l'autre de la partie centrale, une partie 25 ayant une épaisseur T et une partie d'extrémité 26, ayant en coupe, de préférence, une forme semi- circulaire avec un rayon sensiblement égal à la moitié de l'épaisseur T. On a constaté qu'en prévoyant ces parties d'extrémité semi-circulaires, on obtenait une valeur maximale de la surface de contact de chaque élément tournant. L'élément 16 peut, bien entendu, avoir un diamètre désiré quelconque. Suivant la présente invention, les durées de vie du dispositif 10 et du tube 34 de la conduite de production sont allongées en constituant chaque élément tournant 16 en un métal ou un alliage métallique ayant une dureté Brinnel qui, à des températures supérieures à 149'C est inférieure à la dureté de la matière plus dure, constituant la conduite tubulaire de production, d'une valeur comprise entre au moins 50 unités Brinnel (HB) environ et 150 unités Brinnel (HB) environ, cette valeur étant de préférence égale & 50 unités Brinnel (HB) environ. On a constaté qu'en prévoyant une telle différence de dureté, on évitait de causer des dommages au tube de production. Le métal ou l'alliage métallique qui constitue chaque élément 16 doit être en mesure de 8 2620766 maintenir les caractéristiques de dureté relative mentionnées plus haut sensiblement constantes dans le temps aux températures de services rencontrées en bas du puits, en général égales à 149'C ou supérieures. Il est également souhaitable que la matière qui constitue chaque élément 16 vieillisse sensiblement & la même vitesse que la matière qui constitue le tube de production 34. Bien entendu, la matière particulière choisie pour les éléments 16 est aussi, en partie, déterminée par l'action corrosive et la température du fluide fourni par le puits de pétrole. Des matières métalliques appropriées pour les éléments tournants comprennent, sans y être limitées, les alliages de cuivre ayant une dureté Brinnel (HB) comprise entre 50 environ et 200 environ ainsi que les aciers inoxydables austénitiques ou ferritiques tels que l'acier des E.U.A. AISI316. Le tube de production 34 peut être constitué en acier suivant la norme des E.U.A. APIJ55. On a constaté que la différence de dureté mentionnée plus haut augmente non seulement la durée de vie, mais réduit aussi l'usure par frottement que l'élément tournant provoque sur le tube. Bien que l'élément 12 puisse comporter un nombre désiré et quelconque de fentes et que le dispositif 10 puisse comporter un nombre quelconque d'éléments tournants, il est préférable qu'il y ait six fentes et six éléments tournants. On a constaté que si l'on utilisait six fentes et six éléments tournants, au moins trois éléments tournants sont toujours en contact avec le tube de production. Il est clair que l'on a créé en accord avec la présente invention, un dispositif de centrage qui correspond complètement aux buts, moyens et avantages mentionnés précédemment. 9 2620766 REVENDICATIONS 1) Dispositif (10) pour centrer au moins une tige de pompage (32) dans une conduite de production (34) d'un puits de pétrole et pour réduire les forces de frottement entre la conduite et la ou les tiges de pompage, ce dispositif comportant un élément de corps allongé (12) essentiellement cylindrique avec un axe longitudinal, plusieurs fentes (14) à l'intérieur de cet élément, un élément tournant (16) étant monté dans chaque fente, caractérisé en ce que chaque élément tournant (16) est constitué en une matière ayant une dureté Brinnel inférieure d'au moins 50 unités Brinnel (HB) & la dureté de la matière dont est constituée la conduite de production (34), cette relation de dureté étant maintenue dans le temps à la température de service rencontrée en bas du puits, c'est-à-dire à des températures supérieures ou égales à 149C. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière de la conduite de production (34) est plus dure que la matière constituant chaque élément tournant (16), la différence de dureté entre ces matières étant comprise entre 50 unités Brinnel (HB) environ et 150 unités Brinnel (HB) environ. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments tournants (16) sont constitués en un alliage de cuivre. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments tournants (16) sont constitués en au moins un acier choisi dans les aciers inoxydables austénitiques et ferritiques. ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plus grande dimension de chaque fente (14) s'étend suivant un premier axe parallèle à l'axe longitudinal, la rotation de chaque élément tournant (16) dans une telle fente ayant lieu 2620766 io autour d'un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe. 6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, à l'intérieur de chaque fente, une broche (18) définissant l'axe de rotation de l'élément tournant correspondant (16), un palier (22) étant interposé entre la broche et l'élément tournant. 7) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes (14) sont orientées l'une par rapport à l'autre de manière à former une ligne hélicoïdale pour rendre maximale la surface de contact totale entre les éléments tournants (16) et la conduite (34) et pour réduire les forces agissant sur chaque élément tournant. 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des fentes voisines (14) sont disposées suivant un angle de 300 environ l'une par rapport à l'autre. 9) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément tournant (16) comporte une première partie (25) ayant une épaisseur désirée (T) et des parties d'extrémité (26) ayant un rayon sensiblement égal à la moitié environ de cette épaisseur désirée, de manière à rendre la surface de contact maximale. ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de corps (12) comporte, à chaque extrémité, des alésages taraudés (30) s'étendant en direction longitudinale pour raccorder le dispositif à une série de tiges de pompage (32). 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que plusieurs fentes (14) pratiquées dans l'élément de corps (12) sont disposées suivant une ligne hélicoïdale de manière que des fentes voisines soient orientées suivant un angle de 30' environ l'une par rapport à l'autre, un l 2620766 élément tournant (16) étant monté dans chaque fente pour venir en contact avec la conduite (34), la ligne hélicoidale des fentes garantissant que plusieurs éléments tournants sont en contact avec la conduite. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'au moins trois éléments tournants (16) sont en contact avec la paroi de la conduite de production (34). 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte six fentes (14) et six éléments tournants (16).