Brevet FR2640442A1 — publié le 19900615

La présente invention concerne un dispositif moteur pour animer une charge d'an mouvement vertical pas à pas à puissance sensiblement constante, en particulier pour actionner une pompe verticale alternative comme celte généra- Lement disposée en fond de puits d'extraction pétrolière, ou au fond d'un puits aquifère. HabitueLLement, de telles installations de pompage comportent une pompe à piston descendue à L'intérieur du puits à une profondeur bien déterminée. Son cylindre est fixe soli- daire du tubage tandis que le piston est mobile et est relié à L'unité d'actionnement située en surface (sol terrestre ou plate-forme off shore) par un train de tiges de pompage formé par des sections facilement aboutées ou démontées. Ce piston est généralement à clapets dont ta course et La fréquence sont fonction du débit du puits. Dans tous Les puits connus à ce jour équipés d'une unité de pompage, l'organe moteur initial est rotatif (thermi- que ou électrique). IL y a ensuite transformation de mouvement soit mécanique (balanciers) soit hydraulique (unités de pompage à vérins). La chaîne cinématique reliant L'organe moteur ini- tial au train de tiges comprend des organes qu'il convient d'entretenir et de régler, impliquant une maintenance sur le site en cours d'exploitation dont le coût est de plus en plus pénalisant dans Les conditions actuelles d'exploitation, notam- ment dans Le domaine pétrolier. La présente invention entend réduire Le plus pos- sible la part de cette maintenance dans Le coot de L'exploita- tion en simplifiant cette chaîne de transmission et de trans- formation du mouvement entre la source de puissance et Le train de tige. A cet effet, l'invention a pour objet une unité motrice à puissance sensiblement constante et à mouvement ver- tical alternatif pour éLever pas à pas une charge qui comporte un moteur électrique Linéaire dont L'inducteur et L'induit sont constitués par deux éléments cylindriques coaxiaux, L'un d'eux étant attelé au support de la charge à déplacer et mobile par rapport à une structure fixe et qui comporte un disposi- tif d'équiLibrage exerçant une force sur L'équipage mobile formé par Le support de La charge et l'élément du moteur qui lui est attelé, égale et opposé à La somme de son poids et du demi poids de La charge. Dans un premier mode de réaLisation, L'inducteur est fixe par rapport à La structure, l'induit est réalisé autour d'un cylindre de vérin mobile qui appartient au dispo- sitif d'équilibrage. Dans une variante de ce premier mode de réaLisa- tion, L'induit est réalisé autour d'un élément cylindrique central attelé au support de La charge, Le dispositif d'équi- librage étant constitué par au moins un vérin paraLLèle à L'axe de l'induit et attelé entre L'inducteur et l'induit. Dans un second mode de réalisation, l'inducteur et L'induit sont mobiles par rapport à La structure fixe et sont mécaniquement accoupLés L'un à L'autre par au moins un Lien flexible de suspension de chacun d'eux à La structure, L'in- ducteur appartenant au dispositif d'équiLibrage. La description donnée ci-après d'exemples de réaLi- sation de L'invention en permettra une meiLLeure compréhension et en fera apparaître Les avantages et Les caractéristiques secondaires. IL sera fait référence aux dessins annexés dans Lesquels: - La figure 1 est une illustration schématique des dispositions générales d'une pompe de fond équipée de L'unité motrice selon L'invention, - La figure 2 est une vue en coupe axiaLe d'un premier mode de réaLisation de L'unité motrice selon L'invention, - La figure 3 est une vue en coupe axiale d'une variante de réaLisation de La figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un second mode de réalisation de cette unité motrice. Sur la figure 1, on a représenté une installa- tion de pompage destinée à extraire d'un gisement souterrain un effluent présent au fond d'un puits 1 (pétrole, eau...) De manière connue, cette installation comporte une pompe de fond 2 comprenant un piston 3 ( à clapets) et un cylindre 4 dans lequel le piston -est animé d'un mouvement alternatif par un train de tiges 5. Le cylindre 4 de la pompe est prolongé par un ensemble tubulaire 6 conduisant te fluide pompé jusqu'à la tête de puits. Le niveau "libre" du fluide dans le gisement est à une profondeur H par rapport à la surface du sol 8 (ou à la plate-forme d'exploitation s'il s'agit d'une exploitation offshore). La partie supérieure 9 du train 5 de tiges est attelée à une unité motrice (ou unité de pompage) 10 qui confère à ce train de tige le mouvement alternatif vertical d'actionnement du piston 3, dont l'amplitude, la vitesse et la cadence sont réglées en fonction du "débit" du puits. Une structure fixe est représentée très schéma- tiquement en 11 pour illustrer la nécessité de sa présence quelque soit le mode de réalisation de l'unité de pompage. Sa forme et sa hauteur seront adaptées à chacun de ces modes de réalisation comme expliqué plus loin. La fonction essentielle de cette structure fixe 11 est de constituer un support pour les parties fixes de l'unité de pompage et de reprise des efforts qu'elle développe en fonctionne- ment. Les éléments moteurs de l'unité de pompage comprennent d'abord un moteur électrique linéaire 12 comportant un inducteur et un induit mobiles l'un par rapport à l'autre, l'un de ces organes (inducteur ou induit) étant attelé au sommet 9 du train de tige, l'autre étant, comme on le verra ci-après, soit fixe donc soutenu par la structure 11, soit également mobile par rapport à la structure, mais attelé au premier organe, l'ensemble étant supporté par La structure. Les éléments moteurs comprennent ensuite un dispositif d'équilibrage, ici représenté sous la forme d'un contre poids 13, qui exerce une force sur l'équipage mobile de L'unité de pompage (piston 4, train de tiges 5 et organe moteur attelé au train de tige) égale et opposée au poids de cet équipage mobile augmenté du poids de la demi-colonne d'effLuent à élever. Sur cette figure 1, Le dispositif d'équilibrage est représenté sous La forme d'un contre-poids 13 atteLé à l'équipage mobile par un cable 14 s'enroutant sur une pouLie portée par La structure 11; cette représentation est schématique et on verra en regard des figures suivantes que ce mécanisme d'équilibrage peut prendre d'autres formes, tout en assurant une certaine suspension de l'équipage mobile par la structure fixe. Le but de ce dispositif d'équilibrage est de diminuer les efforts moteurs à engendrer et de les répartir le plus également possible entre la course ascendante et la course descendante du piston. Ces efforts moteurs seraient très inégaux en l'absence de ce dispositif. En effet, le piston 4 étant au point mort bas du cycle de pompage, L'or- gane moteur doit fournir une force égale au poids de L'équi- page mobile augmenté du poids de La coLonne d'effLuent de hauteur H (couramment pLusieurs centaines de mètres), pour élever le piston sur une course (quelques mètres) de hauteur négligeable par rapport à H. Après le point mort haut, l'équipage mobile descendra sous son propre poids (le poids de la colonne H n'agissant plus puisque Les clapets du pis- ton sont ouverts). Le moteur devrait alors fonctionner en frein. IL en serait de mime pour une charge quelconque à' élever pas à pas, par exemple l'extraction d'une tubuture enfouie verticalement avec un grappin intérieur attelé à l'extrémité du train de tige qui forme le support de la charge. Avec le dispositif d'équilibrage qui applique à L'équipage mobile une force constante égale et opposée à son poids et à la moitié du poids de la colonne de fluide de hauteur H. L'effort moteur à la montée du piston est diminué d'autant et n'est plus égal qu'à celui nécessaire pour élever une colonne de fluide de hauteur 0,5 H. A la descente, le moteur doit vaincre l'excédent d'effort d'équi- librage égal à 0,5 H, puisque la colonne de fluide n'agit plus sur le piston. Donc l'effort à engendrer par le moteur est égal pour les deux sens de mouvement du piston. L'utilisation d'un moteur linéaire 12 comme organe moteur permet des réalisations avantageuses de ce dispositif d'équilibrage. Le moteur linéaire 12 de la figure 1 veut illustrer schématiquement le fait qu'il comporte deux élé- ments cylindriques coaxiaux 12a et 12b l'un étant un inducteur et l'autre un induit. Dans le cas représenté, l'élément extérieur 12a peut être l'inducteur fixe, comme dans l'exem- ple de la figure 2. L'induit 12b est donc l'élément intérieur mobile axialement dans l'inducteur. Dans l'application aux installations de pompage, on aura choisi un moteur linéaire syncrone qui permet, grâce à des moyens d'asservis- sement connus, d'obtenir un meilleur fonctionnement que celui d'un moteur asynchrone. Dans ce cas, l'induit du moteur est alimenté en courant continu (conducteurs 16) alors que l'inducteur est alimenté par un courant polyphasé (conducteurs 17) engendré au moyen d'un onduleur à fréquence variable qui, asservi à la position relative des éléments, aux consignes de déplacement (fins de course, vitesse...) permet d'optimiser le rendement et d'éviter les décrochages. La source de ces courants et les dispositifs électroniques d'asservissement (à L'exception des capteurs de déplacement des mobiles) sont réunis sous la référence 18 de la figure 1. Dans le cas o l'inducteur est la pièce 12b mobile, celui-ci sera alimenté en courants polyphasés et l'induit fixe extérieur, formé par la pièce 12a sera alimenté en courant continu. Cette disposition présente sur la précé- dente L'inconvénient de la difficulté du refroidissement de l'inducteur à l'intérieur de L'induit tubulaire. La figure 2 illustre de manière plus détaillée la combinaison d'un moteur linéaire synchrone à inducteur extérieur et d'un dispositif d'équilibrage. L'induit 20 du moteur linéaire de la figure 2, mobile comprend un tube central 21 autour duquel une carcasse 22 est disposée et en est solidaire. Cette carcasse sera feuilletée dans des plans radiaux; par exemple elle consis- tera en des bandes d'acier isolées placées par paquets les plus radiaux possible sur chant autour du tube central 21. Cette carcasse est ensuite équipée de pôles (ou dents) 23, feuilletées mais dans un plan perpendiculaire à l'axe du tube 21. Chaque dent sera par exemple constituée par un empilage de rondelles possédant au moins une fente radiale, décalées angulairement les unes par- rapport aux autres, isolées les unes des autres et solidarisées (collées) pour constituer un anneau rigide donnant plus de cohérence à la carcasse. Entre chacune des dents ou couronnes 23 on a bobiné un enroulement 24 d'induit qui, réuni en série avec tous les autres et parcouru par un courant continu, engendrera une succession de poles alternés le long du tube 21. L'alimentation de cet induit est assurée par un conducteur souple ou analogue pour suivre le mouvement alternatif. Aux extrémités de la partie électrique proprement dite du corps mobile, le tube porte des galets de roulement au moyen de supports appropriés, ces galets étant réguliè- rement répartis autour du tube 21 et leur axe de roulement étant perpendiculaire à un plan radial du tube; De préfé- rence ces plans seront décalés angulairement de 120 autour de l'axe du tube. Tout autre organe de guidage (patins, palier lisse...) pourrait convenir. L'inducteur extérieur du moteur est quant à lui constitué d'une carcasse cylindrique 26 massive en acier magnétique comportant à l'intérieur, un empilage alterné de rondelles 27 massives formant dent ou pôles et de bobines 28. On n'a pas précisé dans cette figure le dessin particuLier des rondelLes 27 qui devra permettre un auto-centrage de chacune d'elles Les unes dans les autres pour encadrer sans Les écraser Les bobinages Lorsqu'eLLes seront assujetties axiaLement au moyen,par exempLe, de tirants traversant L'empiLage à L'extérieur des enrouLements. Les bobines sont alimentées en courant triphasé par des conduc- teurs non représentés. La face intérieure de L'inducteur présente une surface cyLindrique composite sur LaqueLLe prennent appui Les gaLets 25 de L'induit. Ainsi, ce dernier est-iL centré dans L'inducteur et guidé Le Long de ce dernier. Pour améliorer Le roulement de L'induit dans L'inducteur, on peut prévoir des pistes Le Long des génératrices internes de L'inducteur, en regard des galets. L'inducteur étant fixe, est maintenu par un sup- port du genre de celui 11 décrit en regard de La figure 1. Pour des installations de faibLe capacité ou du moins de faible charge de pompage, L'inducteur peut être directement fixé à la tête de puits ou sur une semelle appropriée qui y serait rapportée. Du point de vue de la création des forces d'en- trainement, un Large dimensionnement des induit et inducteur en diamètre est favorable. iL s'ensuit que Le tube interne 21 de L'induit peut avantageusement soit constituer le cyLindre d'un vérin, soit constituer le Logement pour un vérin rapporté qui forme le dispositif d'équilibrage évoqué en regard de la figure 1.Dans le cas représenté, Le cylindre est atteLé au train de tiges de l'instaLlation par une partie d'extrémité 29, qui ne ferme pas Le cylindre de M.anière étanche et contient un piston 30 dont La tige 31 est solidaire de l'inducteur par l'intermédiaire d'une plaque supérieure 32 de ce dernier et d'un organe de suspension 33 auquel est fixée La tige. Le cylindre 21 est fermé par une paroi supérieure 34, traversée de manière étanche par la tige 31. Le piston délimite donc dans le cylindre une chambre de volume variable, qui est en communication permanente avec une source de pression pneumatique ou hydraulique (non représentée) par un canal interne à la tige 31 et débouchant dans la chambre 35 par l'orifice 36. Cette source de pression pourra avantageusement comprendre une capacité variable grâce à laquelle, les variations de volume de La chambre 35 n'en- gendrent pas de variations de pression. Il est ainsi possible de créer une force d'équilibrage de l'équipage mobile tel que défini en regard de la figure 1 égale à La surface de la paroi 34 multiplée par la pression à laquelle elle est exposée dans La chambre 35. En ajustant la pression dans cette chambre, on peut donc régler la force d'équilibrage à La valeur désirée. Dans le cas d'un vérin rapporté dans le logement, la tige de ce vérin serait attelée à la plaque supérieure 32 de l'induc- teur et le corps de ce vérin serait attelé au tube central de l'induit par tout moyen approprié. L'avantage de ce dispositif d'équilibrage réside dans le fait qu'il n'augmente pas l'encombrement de l'unité de pompage. Il est sans consommation d'énergie à l'exception de la compensation des fuites et peut donc, s'il est pneumatique ou hydropneumatique, fonctionner avec une source de gaz comprimée en bonbonne. Dans le cas de cette figure 2, l'inducteur est long et l'induit court, ce qui présente l'avantage de réduire le poids de l'équipage mobile. La figure 3 illustre schématiquement une variante de réalisation de la figure 2 dans laquelle l'inducteur 26A est fixe mais court, l'induit 20A étant réalisé autour d'un tube central 20B sur une longueur au moins égale à celle de la course augmentée de la Longueur axiale de l'inducteur. Le guidage de l'induit dans l'inducteur sera réalisé au moyen de galets fixes à l'intérieur de l'inducteur. Le mécanisme de compensation comprendra alors deux vérins (ou plus) pneumatiques ou hydrauliques attelés entre l'inducteur 26A (ou La struc- ture qui Le soutient) et Le tube 20B au-delà du bobinage d'induit. Les vérins 30A, 30B sont reliés à une source de pression constante et engendrant La force d'équilibrage telLe qu'elle a été définie plus haut (tendant à remonter l'induit). On aura prévu à l'extérieur de la carcasse d'induit des ailettes de refroidissement importantes compte tenu de sa compacité et de la puissance à dissiper. Sur la figure 4 on a représenté une variante de réalisation de l'invention. Dans cette variante, l'induit intérieur 37 est égaLement constitué par un corps tubulaire 21 équipé d'une carcasse magnétique 22 feuilletée, d'une alternance de pôles annulaires feuilletés 23 et de bobines 24 et de galets 25 comme dans la figure précédente. Il est également attelé à sa partie inférieure au train de tiges par un attelage 38 connu en lui-même et, à sa partie supérieure à des càbles ou liens souples 39. Ces câbles passent sur des poulies fixes 40, portées par une structure fixe telle que celle 11 de la figure 1 et sont fixés par leur autre extrémité à l'inducteur 41 extérieur, de même structure que L'inducteur de la figure 2, à l'exception de sa longueur qui est plus importante (égale au double de la course du piston de pompage augmentée de la longueur axiale de l'induit) et du fait qu'il est mobile par rapport à la structure fixe. On voit que dans cette disposition, la course relative inducteur - induit 'est double de celle de la figure précédente, ce qui a pour conséquence, toutes choses égales par ailleurs, de pouvoir diviser par deux les forces d'inter- action magnétique entre l'induit et l'inducteur. L'inducteur constitue alors le dispositif d'équilibrage de l'équipage mobile par son propre poids. On pourra donc en fonction de la charge de pompage adapter les dimensions du moteur linéaire pour réaliser cette fonc- tion d'équilibrage du poids de l'équipage mobile augmenté du poids de La demi-colonne de fluide à élever. On peut éga- lement équiper l'inducteur d'un réservoir 42 que l'on peut plus ou moins remplir d'une tare (solide ou liquide) afin d'agir sur cette force d'équiLibrage. IL est également possible d'adjoindre à cette variante de réalisation le vérin central de la figure 2 comme moyen d'ajustement et de régLage de la force d'équiLi- brage. Dans ce cas, La tige du vérin attelée par son extrémité libre au support fixe des pouLies 40, sera d'une longueur correspondant sensiblement à deux fois La course du piston pour prendre en compte le mouvement de l'inducteur par rap- port à la structure fixe. Dans certaines applications de cette variante de la figure 3, La vitesse relative des mobiles ainsi que l'am- plitude de leur mouvement relatif, autorisera l'utilisation d'un moteur linéaire asynchrone, c'est-à-dire dans lequel l'induit ne sera plus parcouru par un courant continu, mais comportera simplement des conducteurs disposés judicieusement par rapport aux champs mobiles de l'inducteur, pour engen- drer les forces électromotrices nécessaires à la création du mouvement. On notera que l'électronique de commande du moteur linéaire implique la mise en oeuvre de capteurs du déplacement relatif des éléments mobiles. Dans Le cas de La figure 2, il s'agira de capteurs de proximité, par exemple effectuant au travers de ['inducteur un comptage au passage des pôles de L'induit. Dans le cas de la figure 3, les capteurs pourront plus simplement être liés aux poulies 40. Enfin en plus des moteurs synchrones et asynchro- nes pouvant être mis en oeuvre, on mentionnera la possibi- lité de prévoir le moteur linéaire comme un moteur à réLuc- tance, impliquant une électronique de commande de l'excitation de l'inducteur, L'induit ne comportant alors plus qu'une armature magnétique sans conducteur. REVENDICATIONS 1. Unité motrice (10) à puissance sensiblement constante et à mouvement vertical alternatif pour élever pas à pas une charge au moyen d'un support (5) de La charge (1), caractériséeen ce qu'elle comporte un moteur électrique Liné- aire (12) dont l'inducteur (41) et l'induit (37) sont consti- tués par deux éléments cylindriques coaxiaux, l'un d'eux étant attelé à L'extrémité supérieure (9) du support (5) et mobile par rapport à une structure fixe (11) et en ce qu'elle comporte un dispositif d'équilibrage (13) exerçant une force sur L'équipage mobile formé par le support (5) et l'élément du moteur (37) qui Lui est attelé,égale et opposée à la somme de son poids et de La moitié des poids (H/2) de la charge. 2. Unité motrice selon la revendication 1, carac- térisée en ce que L'inducteur (41) constitue l'élément exté- rieur du moteur (12) tandis que l'induit (20) est attelé au support (5) de La charge. 3. Unité motrice selon la revendication 2, carac- térisée en ce que l'inducteur est fixe par rapport à la struc- ture, l'induit étant réalisé autour d'un cylindre mobile atteLé au support de charge (5). 4. Unité motrice selon la revendication 3 carac- térisé en ce que le cylindre mobile (21) constitue le logement d'un vérin qui définit avec un piston fixe (30) une chambre (35) d'équilibrage. 5. Unité motrice seLon La revendication 3 carac- térisée en ce que te cylindre mobile porteur de L'induit est attelé à La structure fixe par au moins un vérin d'équiLi- brage extérieur à L'induit parallèle au cylindre. 6. Unité motrice selon la revendication 2, carac- térisée en ce que l'inducteur (41) et l'induit ( 37) sont mobiles par rapport à la structure fixe (11), et sont méca- niquement accouplés l'un à L'autre par au moins un Lien fle- xible (39) de suspension de chacun d'eux à la structure (11) l'inducteur (41) appartenant au dispositif d'équilibrage. 7. Unité motrice selon L'une quelconque des reven- ddcations précédentes caractérisée en ce que Le moteur Linéaire (12) est un moteur synchrone. 8. Unité motrice seLon La revendication 6 carac- térisée en ce que Le moteur Linéaire (12) est un moteur asynchrone. 9. Unité motrice seLon L'une queLconque des reven- dications 1 à 6 caractérisée en ce que le moteur Linéaire (12) est un moteur à reLuctance.