Brevet FR2696792A1 — publié le 19940415

La présente invention concerne un système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits équipé d'une colonne tubulaire. I1 comporte une pompe volumétrique rotative adaptée à de grand débit de production dudit effluent. il est connu d'utiliser des pompes du type MOINEAU entraînée en rotation par des tiges, elles mêmes entraînées en rotation à partir d'une installation de surface. Mais la vitesse de rotation du rotor de la pompe est limitée notamment par la résistance mécaniques des tiges, les frottements dynamiques à l'intérieur du puits, ou le montage mécanique du rotor dans la stator de la pompe. En effet, concernant cette dernière limitation, la nature des effluents dans lesquels est placée la pompe, la pression et la température qui règnent au fond d'un puits, compliquent considérablement l'utilisation de moyens plus performants pour le montage du rotor dans le stator. ll est connu que de tels moyens de montage nécessitent au moins une lubrification des pièces mécaniques en mouvement.Dans les conditions décrites plus haut, il faudrait donc des montages étanches et résistant à la température pour préserver le fluide lubrifiant les moyens mécaniques, d'une pollution par l'effluent produit. La présente invention fournit une solution à ce problème technique en permettant l'injection, à partir de la surface, d'un fluide lubrifiant circulant à travers les moyens de montage mécanique du rotor. De plus, selon une variante de la présente invention, il est également possible d'ajouter à ces moyens de montage un mécanisme multiplicateur de vitesse de la rotation du rotor, par rapport à la vitesse de rotation des tiges. Ainsi, on peut obtenir un plus grand débit de pompage avec une vitesse raisonnable pour la rotation des tiges. ll est rappelé que le débit fourni par une pompe volumétrique rotative est sensiblement proportionnel à la vitesse de rotation du rotor. Dans une autre variante, en particulier lorsque l'effluent à produire est un fluide visqueux, la présente invention peut permettre une amélioration du rendement du pompage en fluidifiant l'effluent en le mélangeant au fluide injecté pour lubrifier les moyens mécaniques de montage. La présente invention concerne donc un système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits. Le système comporte une pompe comprenant au moins un stator, un rotor, des tiges reliant la pompe à la surface. Les tiges mises en rotation par des moyens de surface, entraînent en rotation le rotor pour pomper l'effluent et refouler celui-ci vers la surface. La pompe comporte des moyens mécaniques de maintien et de transmission, coopérants avec les tiges, le rotor et le stator. Les tiges sont adaptées à permettre l'injection, à partir de la surface, d'un fluide circulant à travers les moyens mécaniques. Les moyens mécaniques peuvent comporter des moyens de liaison et de guidage du rotor par rapport au stator. Les moyens mécaniques peuvent comporter des moyens de transmission de la rotation entre les tiges et le rotor, par exemple un joint universel. Les moyens de transmission peuvent comporter un multiplicateur de vitesse adapté à permettre l'entraînement en rotation dudit rotor à une vitesse supérieure à la vitesse de rotation des tiges. Le fluide peut être adapté à assurer une lubrification et éventuellement un refroidissement desdits moyens mécaniques. Le stator de la pompe peut coopérer avec des moyens d'étanchéité liés à une colonne de tubes. L'aspiration et le refoulement de la pompe peuvent se trouver de part et d'autre des moyens d'étanchéité et l'effluent refoulé peut remonter vers la surface par l'espace intérieur de ladite colonne. Le fluide injecté par les tiges peut être adapté à fluidifier l'effluent refoulé par la pompe, par exemple du kérosène ou du gasoil. Le fluide peut se mélanger avec ledit effluent dans le voisinage du refoulement de la pompe. D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où: - la figure 1 représente schématiquement un système de pompage selon l'invention, - la figure 2 représente une pompe volumétrique équipée de moyens mécaniques, - la figure 3 représente une variante du système de pompage comprenant un multiplicateur de vitesse, - la figure 4 illustre les moyens de surface permettant l'entraînement en rotation de tiges, l'injection du fluide lubrifiant et le retour de la production, - la figure 5 montre une réalisation d'une coulisse destinée à être intégrée aux tiges. Sur la figure 1, un puits 1 atteint une formation géologique productrice d'un effluent contenant des hydrocarbures. La pression régnant dans la formation est trop faible pour que l'effluent puisse remonter jusqu'en surface. La formation productrice est dite non éruptive. Le schéma de production nécessite donc la mise en oeuvre d'un système de pompage de l'effluent. Par effluent, il faut comprendre l'ensemble des fluides présents dans le puits 1. Dans le cas où l'hydrocarbure, contenu dans ladite formation, est visqueux, on peut injecter de la vapeur d'eau, ou autres fluides, pour fluidifier l'hydrocarbure afin de favoriser son écoulement. Dans ce cas, L'effluent comporte une quantité d'eau ou de vapeur d'eau assez importante, relativement au volume d'hydrocarbure. Ce grand volume d'effluent impose une capacité de pompage supérieure à celle qui serait nécessaire pour traiter le volume de l'hydrocarbure seul. Le puits 1 est équipé d'une de colonne tubulaire 2, dont l'extrémité inférieure plonge dans Effluent. L'espace annulaire, défini entre le puits 1 et l'extérieur de la colonne 2, peut être obturé ou non par un système d'étanchéité du type packer. La colonne 2, en général dénommée "colonne de production", a pour rôle principal de canaliser la production du fond vers la surface du sol par le moyen de son conduit intérieur. Un système de pompage 3 est positionné dans la colonne 2 par le moyen d'un siège 4. Le siège 4 a au moins pour fonction de fixer longitudinalement et en rotation le stator de la pompe 6, d'effectuer une étanchéité entre le corps de la pompe 6 et la colonne 2. Une ouverture 5 permet l'admission de l'effluent dans la pompe 6. Une ouverture 7 permet la sortie de l'effluent refoulé dans l'intérieur 8 de la colonne 2. Les flèches 9, 10 et 11 indiquent le trajet de l'effluent Le système de pompage comporte des moyens mécaniques 13 qui seront détaillés plus loin dans la présente description à l'aide des figures 2 et 3. Une garniture de tiges 12 est liée aux moyens mécaniques 13 par son extrémité inférieure, l'extrémité supérieure située à la surface coopère avec des moyens 14 qui sont détaillés sur la figure 4. Le système de pompage 3 est mis en place sur le siège 4 par l'assemblage de la garniture de tiges 12 dans l'espace intérieur 8 de la colonne 2, de préférence après que celleci ait déjà été assemblée. La remontée du système s'effectuant par une opération inverse. Les tiges 12 sont creuses pour permettre l'injection d'un fluide suivant le trajet des flèches 15. L'entraînement en rotation de la garniture des tiges 12 provoque la rotation du rotor (non représenté sur cette figure) de la pompe 6 grâce à la coopération des moyens mécaniques 13. Ces moyens mécaniques sont traversés par le fluide injecté par les tiges 12. La figure 2 montre un mode de réalisation de la pompe du système de pompage selon l'invention. La colonne 2 comporte un réceptacle ou siège 4 vissé au-dessus d'un dispositif d'admission 16 de l'effluent, le dispositif 16 pouvant être un séparateur statique liquide/gaz, par exemple celui décrit dans le brevet FR-2656652. Dans le cas de présence de gaz libre dans l'effluent, l'espace annulaire entre la colonne 2 et le puits 1 est utilisé pour canaliser le gaz jusqu'en surface. Sur l'extrémité du corps 17 (stator) de la pompe, est fixé une pièce 18 complémentaire au siège 4. La coopération de la pièce 18 et du siège 4: - fixe en rotation le corps 17 (stator) par rapport à la colonne 2, - fixe longitudinalement la pompe dans la colonne 2 (un moyen de verrouillage réversible peut être adjoint), - isole l'espace annulaire 8 de l'effluent à l'admission par les moyens d'étanchéité 27. Le corps du stator 17 de la pompe comporte à sa partie supérieure des moyens mécaniques 13 réalisant au moins les fonctions suivantes: - guidage en rotation et fixation longitudinale par des paliers 22, - transmission de la rotation des tiges 12 au rotor 20 par des accouplements 24 et 25, - liaison flexible 21, par exemple un joint universel type cardan, lorsque le rotor du type de pompe utilisée est animé en plus de la rotation d'un déplacement radial de nutation. Le corps du stator 17 de la pompe comporte, sensiblement à sa partie supérieure, des orifices 23 d'évacuation de l'effluent refoulé par la pompe. Ces orifices 23 communiquent avec l'espace annulaire 8. Le canal intérieur 26 des tiges 12 communique avec les orifices d'évacuation 23 par l'intermédiaire d'un canal 19 débouchant en 50 au niveau des paliers mécaniques 22. Ceuxci ne sont pas étanches permettant ainsi la circulation du fluide injecté par les tiges 12 à travers les paliers 22 constitués préférentiellement de roulement à billes ou à galets, effectuant ainsi une lubrification et/ou un refroidissement des pièces en mouvement par barbotage. Le fluide injecté par le canal 19 s'écoule jusqu'aux orifices 23 où il se mélange avec l'effluent refoulé par la pompe avant de sortir par les orifices 23 vers l'espace annulaire 8. Le fluide injecté est choisi pour que son pouvoir lubrifiant soit suffisant pour assurer une longévité acceptable des moyens mécaniques 19. Par pouvoir lubrifiant, il faut comprendre ici, la capacité de ce fluide à diminuer de façon sensible les frottements mécaniques provoqués par les mouvements dynamiques. En effet, on pourra injecter par exemple du kérosène, du gas-oil, une émulsion contenant des huiles brutes ou de l'eau contenant certains additifs. Avantageusement, la circulation du fluide dans les moyens mécaniques permet de contrôler le refroidissement des moyens mécaniques. Le type de pompe peut être de tout type volumétrique rotative. De préférence, et compte tenu du domaine industriel concerné, la pompe est du type MOINEAU. Le fluide injecté par les tiges 12 est mélangé avec l'effluent refoulé par la pompe, au voisinage en amont des orifices 23. La figure 3 illustre une variante selon l'invention, où il est intercalé entre l'accouplement 24 et les paliers 22, un multiplicateur de vitesse 28. La conception de ce multiplicateur de vitesse étant à la portée d'un homme de l'art connaissant la mécanique, elle ne sera pas détaillée dans la présente description. Le coefficient multiplicateur est préférentiellement compris entre 1 et 5. De même que les paliers 22, le multiplicateur de vitesse 28 est traversé par le fluide injecté par les tiges 12. La figure 4 montre l'installation de surface 14 du système selon l'invention. L'extrémité supérieure de la colonne 2 comporte une sortie latérale 29 permettant la collecte de l'effluent pompé par ledit système. Une tête d'injection rotative 30 est vissée sur l'extrémité de la colonne 2. La tête d'injection 30 comprend une partie mobile en rotation 31 sur laquelle est assemblée la tige 12 supérieure. Des butées de roulements équipent le montage mécanique de la partie 31 dans le corps de la tête 30. La partie mobile 31 possède un conduit mettant en communication l'intérieur des tiges 12 avec la sortie latérale 29. Un arbre 33, fixé sur le sommet de la partie mobile 31, peut être entraîné en rotation par tout moyen connu et conventionnellement utilisé sur les chantiers d'exploitation des puits. La figure 5 illustre une coulisse d'adaptation de la longueur de la garniture de tiges 12. En effet, les conditions de fond peuvent faire varier la longueur de la garniture de tiges entre la pompe et l'installation de surface. La garniture étant en rotation pour actionner le pompage, il est recommandé que les tiges ne subissent pas de flambage. I1 faut donc incorporer à la garniture de tiges un ou plusieurs éléments télescopiques permettant l'allongement de la garniture, ou son raccourcissement, et cela sans développer des contraintes axiales importantes. Pour cela, la coulisse est intercalée entre deux tiges 12 par les raccords 35 et 34. La coulisse en exemple comporte un corps 42 sur lequel est assemblé de façon solidaire un arbre 41. Des rainures longitudinales 38 sont usinées dans l'alésage intérieur du corps 42. Un arbre 40 comportant des clavettes 39 est monté dans le corps 42. Les clavettes 39 et les rainures 38 ont des formes complémentaires pour que l'arbre 40 puisse coulisser longitudinalement dans le corps 42 sur toute la course H. La coulisse permet ainsi la transmission de la rotation tout en laissant un jeu axial correspondant à la longueur H. Des moyens d'étanchéité 37 empêchent la communication entre l'espace intérieur et l'extérieur de la coulisse. L'invention ne se limite pas à une coulisse de ce type. Dans le cas où l'effluent a une viscosité relativement importante, les pertes de charge dans l'espace annulaire 8 peuvent perturber le rendement de pompage. Dans le cadre de la présente invention, on peut minimiser l'inconvénient précité en utilisant pour fluide lubrifiant injecté par les tiges 12, un fluide également apte à fluidifier l'effluent. Ainsi, un effluent visqueux et/ou de forte masse volumique créera moins de perte de charge dans le conduit de production si sa viscosité et/ou sa masse volumique sont diminuées par le mélange avec le fluide injecté par les tiges. REVENDICATIONS 1) Système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits (1), comportant une pompe (6) comprenant au moins un stator (17), un rotor (20), et des tiges (12) reliant la pompe à la surface, lesdites tiges mises en rotation par des moyens de surface (14) entraînent en rotation ledit rotor pour pomper l'effluent et refouler celui-ci vers la surface, caractérisé en ce que ladite pompe comporte des moyens mécaniques (13) de maintien et de transmission, coopérant avec lesdites tiges, ledit rotor et ledit stator et en ce que lesdites tiges sont adaptées à permettre l'injection, à partir de la surface, d'un fluide circulant à travers lesdits moyens mécaniques. 2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens mécaniques comportent des moyens de liaison et de guidage (22, 24, 25) du rotor par rapport au stator. 3) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens mécaniques comportent des moyens de transmission de la rotation (21) entre lesdites tiges et ledit rotor, par exemple un joint universel. 4) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de transmission comportent un multiplicateur de vitesse (28) adapté à permettre l'entraînement en rotation dudit rotor à une vitesse supérieure à la vitesse de rotation desdites tiges. 5) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fluide est adapté à assuré une lubrification et éventuellement un refroidissement desdits moyens mécaniques. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le stator de la pompe coopère avec des moyens d'étanchéité (27) liés à une colonne de tubes, en ce que l'aspiration et le refoulement de la pompe se trouvent de part et d'autre desdits moyens d'étanchéité, et en ce que l'effluent refoulé remonte vers la surface par l'espace intérieur (8) de ladite colonne. 7) Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fluide injecté par les tiges est adapté à fluidifier l'effluent refoulé par la pompe, par exemple du kérosène ou du gasoil. 8) Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide se mélange avec ledit effluent dans le voisinage du refoulement de la pompe.