Brevet FR2714120A1 — publié le 19950623

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. Il 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. Il est connu i15 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 d'utiliser l'effluent lui-même comme d'un fluide lubrifiant en le faisant circuler à travers les moyens de montage mécanique d'entraînement 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. Il est rappelé que le débit fourni par une pompe volumétrique rotative est sensiblement proportionnel à la vitesse de rotation du rotor. La présente invention concerne donc un système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits comportant une pompe placée dans le puits et des tiges reliant la pompe à la surface, la pompe comprenant au moins un stator et un rotor, 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 par un conduit annulaire extérieur auxdites tiges. 2 2714120 Le système de pompage comporte des moyens mécaniques de maintien du rotor dans le stator et de transmission de la rotation des tiges au rotor. La pompe comporte des moyens adaptés à permettre l'injection à partir de la zone de refoulement, d'une partie au moins de l'effluent produit dans les moyens mécaniques. Les moyens mécaniques peuvent comporter au moins un élément choisi dans un groupe comprenant un joint flexible entre lesdites tiges et ledit rotor, par exemple du type joint universel, un multiplicateur de vitesse adapté à permettre l'entraînement en rotation dudit rotor à une vitesse supérieure à la vitesse de rotation desdites tiges, des paliers de guidage du rotor par rapport au stator. Le stator de la pompe pourra coopérer avec des moyens d'étanchéité liés à une colonne de tubes à l'intérieur de laquelle se trouve la pompe, l'aspiration et le refoulement de la pompe pourront se trouver de part et d'autre des moyens d'étanchéité, I'effluent refoulé pourra remonter vers la surface par l'espace annulaire défini par l'extérieur des tiges et l'intérieur de la colonne. La zone de refoulement pourra comporter des moyens d'évacuation de l'effluent pompé en amont des moyens mécaniques. Les moyens mécaniques pourront comporter des orifices de sortie de la portion de l'effluent ayant servi à les lubrifier et la section des orifices de sortie et d'évacuation pourront être déterminés pour permettre à une proportion prédéterminée de l'effluent produit de traverser les moyens mécaniques. Les orifices de sortie pourront comporter un limiteur de pression différentielle tel un clapet taré. Les moyens adaptés à permettre l'injection pourront comporter un filtre de particules. La zone de refoulement pourra comporter une enveloppe cylindrique et les moyens adaptés à permettre l'injection pourront comporter un orifice de prélèvement situé sensiblement à la partie supérieure de ladite enveloppe. La présente invention concerne également une méthode de lubrification d'au moins un organe d'entraînement d'une pompe de fond servant au pompage d'un effluent pétrolier. Une portion au moins de l'effluent pourra être utilisée pour lubrifier cet organe. La portion pourra être prélevée après traitement par une cellule de pompage de la pompe. En dessous d'un certain débit ou d'une pression de refoulement prédéterminée, I'ensemble de l'effluent traité par ladite pompe pourra être utilisé pour lubrifier ledit organe. La portion pourra être filtrée avant d'être utilisée dans l'organe mécanique. Les systèmes et les méthodes selon la présente invention pourront s'appliquer à la production d'effluents pétroliers. 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 o: - la figure 1 représente schématiquement un système de pompage selon l'invention, - la figure 2 représente une pompe volumétrique équipée de moyens 1 0 mécaniques, - la figure 3 représente une variante du système de pompage comprenant un multiplicateur de vitesse, - la figure 3A représente une coupe de la variante selon la figure 3, - la figure 4 montre une réalisation d'une coulisse destinée à être 1 5 intégrée aux tiges, et - la figure 5 représente de façon schématique différents modes de réalisation de la présente invention. 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. Le puits 1 est équipé d'une de colonne 2, dont l'extrémité inférieure plonge dans l'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, dans le cas d'une pompe de type moineau, 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. 4 2714120 Une ouverture 7 permet la sortie de l'effluent refoulé par la pompe 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, I'extrémité supérieure située à la surface coopère avec des moyens d'entraînement en rotation 14, tel un moteur électrique. 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 celle-ci ait déjà été assemblée. La remontée du système s'effectue par une opération inverse. 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. 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 par les moyens d'étanchéité 27 l'espace annulaire 8 servant au refoulement, de la zone d'admission de l'effluent. 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 de la pompe par des accouplements 24 et 25, 2714120 - 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. Selon le mode de réalisation de la figure 2, 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. Les paliers mécaniques 22 ne sont pas étanches permettant ainsi la circulation de fluide produit 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 logement des paliers pourra comporter des orifices de sortie du fluide produit. 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. La figure 3 illustre une autre variante selon l'invention, o 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. Dans ce mode de réalisation, le multiplicateur de vitesse 28 est traversé par une partie du fluide pompé par la pompe. En effet, si une partie du fluide pompé est évacué par les orifices 23, le reste de ce fluide sort par les orifices 52 et 53 situés au-delà du variateur 44 en considérant le sens de l'écoulement. L'installation de surface peut comporter un système palier ainsi qu'une sortie latérale 29 permettant la collecte de l'effluent pompé par ledit système. Le système palier peut être vissé sur l'extrémité de la colonne 2. Ce système palier reçoit un arbre mobile en rotation sur lequel est assemblée la tige 12 supérieure. Des butées de roulements peuvent équiper le montage mécanique de l'arbre dans le système palier. Cet arbre 12, peut être entraîné en rotation par tout moyen connu et conventionnellement utilisé sur les chantiers d'exploitation des puits. Le dispositif de la figure 3 comporte un autre ensemble de paliers butées référencé 41, celui-ci est situé entre le multiplicateur 28 et l'accouplement 24. 6 2714120 Le fluide produit par la pompe traverse et lubrifie les paliers 41 par exemple par un ensemble de canaux 41a aménagé dans les parois du logement de ces paliers (Fig. 3A), puis par les passages 28a, 28b et 28c traverse et lubrifie le multiplicateur 28, enfin atteint les paliers 22 qu'il lubrifie également. La figure 4 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. Il faut donc de préférence 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 et 34. La coulisse en exemple comporte un corps 42 sur lequel est assemblé 1 5 de façon solidaire un arbre 28. 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. Dans le cas o les jeux sont insuffisants entre l'arbre 40 et le palier 37 ou entre les rainures 38 et les clavettes 39 des ouvertures 30 et 31 peuvent permettre le libre transfert de fluide entre l'annulaire 8 et l'espace interne 32 de la coulisse. Par ailleurs, ce fluide peut servir de fluide de lubrification de la coulisse. La figure 5 permet d'illustrer de manière schématique le dispositif et la méthode selon la présente invention. La référence 1 désigne un puits producteur d'un fluide 19 notamment pétrolier. La référence 36 désigne la formation géologique. La partie active 33 de la pompe possède une ouverture d'admission 5 et une ouverture de sortie 26. Cette ouverture de sortie est en relation hydraulique avec au moins un organe mécanique servant à l'entraînement de la pompe. La figure 5 montre trois types organes mécaniques, une butée référencée 22, un variateur de vitesse démultiplicateur ou multiplicateur 44 et une liaison flexible 21. 7 2714120 Généralement, ces moyens mécaniques sont lubrifiés de manière séparée et étanche. Selon la présente invention, l'ouverture de sortie 26 de la pompe est connectée hydrauliquement à au moins l'un des organes mécaniques servant à l'entraînement de la pompe. Ainsi le fluide traité par la pompe peut atteindre au moins un organe mécanique et le lubrifier. Selon un mode préféré de la présente invention, le fluide traité sert à lubrifier les organes mécaniques et est renouvelé en continu. Sur la figure 5, I'ouverture de sortie 26 débouche dans une chambre 43 contenant la liaison flexible 21. Les orifices 51a et 51b relient la chambre 43 au carter 45 du variateur 44 via un système palier butée 22a. Une canalisation 47 relie le carter 45 au carter 46 abritant un autre système palier butée. Selon un premier mode de réalisation, seul le carter ou le logement d'organe mécanique le plus éloigné, en considérant la direction d'écoulement du fluide produit, comporte des orifices d'évacuation. Sur la figure 5, le carter butée 46 comporte des orifices d'évacuation 48. Ainsi, l'effluent produit s'écoule de la chambre 43 vers le carter 45 du variateur puis vers le carter de la butée 46 et enfin sort par les orifices 48 dans la zone annulaire 8 d'évacuation. Bien entendu, on ne sortira pas du cadre de la présente invention en adoptant un autre circuit, par exemple, si une canalisation relie la chambre 43 directement au carter de butée 22 et que seul le carter du variateur 45 comporte de orifices d'évacuation, l'un seulement des passages 51 a ou 51 b étant obstrué. Selon une autre variante de mise en oeuvre de l'invention, la chambre 43 comporte des orifices d'évacuation 49 et le carter 44 des orifices d'évacuation 50 représentés en pointillés sur la figure 5. La taille et le nombre des orifices 48, 49 et 50 sont déterminés pour que les moyens mécaniques à lubrifier: la butée, le variateur et éventuellement la liaison mécanique flexible reçoivent au moins la quantité suffisante de fluides produits pour assurer la fonction de lubrification. On ne sortira pas du cadre de la présente invention si les orifices d'évacuation de la chambre 43, du carter 45 ou du carter 46 comportent un système de clapet taré. Par exemple et de préférence, les orifices 49 de la chambre 43 pourront être munis de tels clapets, ainsi, tant que le débit de fluide produit par la pompe 33 reste en dessous d'un seuil de débit prédéterminé la production s'écoule par les orifices des carters 46 et 45. Lorsque ce débit dépasse ce seuil 8 2714120 prédéterminé, les clapets des orifices 49 s'ouvrent et évacuent vers la zone 8 une partie du fluide produit. Le seuil de débit prédéterminé est prévu pour permettre la lubrification des moyens mécaniques. Dans la mesure o le corps de la pompe 33 intègre la chambre 43 et les carters 46 et 45, la canalisation 47 ne sera pas nécessaire, soit que l'ensemble des organes mécaniques sera dans un même logement, soit que des ouvertures seront aménagées dans les parois qui délimitent les différents éléments mécaniques. REVENDICATIONS 1) Méthode de lubrification d'au moins un organe d'entraînement d'une pompe de fond servant au pompage d'un effluent pétrolier, caractérisée en ce qu'une portion au moins dudit effluent est utilisée pour lubrifier ledit organe. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite portion est prélevée après traitement par une cellule de pompage de ladite pompe. 3) Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'en dessous d'un certain débit ou d'une pression de refoulement prédéterminée, I'ensemble de l'effluent traité par ladite pompe est utilisé pour lubrifier ledit organe. 4) Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite portion est filtrée avant d'être utilisée dans ledit organe mécanique. ) Application de la méthode selon l'une des revendications 1 à 4 à un système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits, comportant une pompe placée dans le puits et des tiges reliant ladite pompe à la surface, ladite pompe comprenant au moins un stator et un rotor, lesdites tiges mises en rotation par des moyens de surface entraînent en rotation ledit rotor pour pomper l'effluent et refouler celui-ci vers la surface par un conduit annulaire extérieur auxdites tiges, ledit système étant caractérisé en ce que ladite pompe (33) comporte des moyens mécaniques (21; 22a; 44; 22) de maintien dudit rotor (20) dans ledit stator (6) et de transmission de la rotation desdites tiges (12) audit rotor (20), et en ce que ladite pompe (33) comporte des moyens adaptés à permettre l'injection à partir de la zone de refoulement (26), d'une partie au moins de l'effluent produit dans lesdits moyens mécaniques pour assurer la lubrification de ces derniers. 6) Application selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques comportent au moins un élément choisi dans un groupe comprenant un joint flexible (21) entre lesdites tiges et ledit rotor, par exemple du type joint universel, un multiplicateur de vitesse (44) adapté à permettre l'entraînement en rotation dudit rotor à une vitesse supérieure à la vitesse de rotation desdites tiges, des paliers de guidage (22a; 22) du rotor par rapport au stator. 7) Application selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le stator de la pompe coopère avec des moyens d'étanchéité (27) liés à une colonne de tubes à l'intérieur de laquelle se trouve la pompe, en ce que l'aspiration (5) et le refoulement (26) 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 annulaire (8) défini par l'extérieur des tiges (12) et l'intérieur de ladite colonne. 8) Application selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que ladite zone de refoulement (26) comporte des moyens d'évacuation (49) d'une partie de l'effluent pompé en amont desdits moyens mécaniques. 9) Application selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens mécaniques comportent des orifices de sortie (21; 50; 48) de la portion de l'effluent ayant servi à les lubrifier et en ce que la section desdits orifices de sortie et d'évacuation sont déterminés pour permettre à une proportion prédéterminée de l'effluent produit de traverser lesdits moyens mécaniques. ) Application selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisée en ce que lesdits orifices de sortie comportent un limiteur de pression différentielle tel un clapet taré. 11) Application selon l'une des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que lesdits moyens adaptés à permettre l'injection comportent un filtre de particules. 12) Application selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisée en ce que ladite zone de refoulement comporte une enveloppe cylindrique et en ce que lesdits moyens adaptés à permettre l'injection comporte un orifice de prélèvement situé sensiblement à la partie supérieure de ladite enveloppe.