Brevet FR2746858A1 — publié le 19971003

ELECTROPOMPE A MOTEUR LINEAIRE La présente invention se rapporte à une électropompe à moteur linéaire, et plus particulièrement à une telle électropompe destinée à être installée en fond d'un puits, par exemple un puits pétrolier. Dans certains puits pétroliers, l'écoulement naturel des hydrocarbures du fond à la surface s'avère insuffisant pour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceci est dû soit à la viscosité importante des hydrocarbures, soit à une trop faible pression naturelle au fond du puits ou encore à une combinaison des deux. Afin de permettre la mise en production du puits à une échelle commerciale, on peut utiliser un système d'assistance ou système d'activation du puits. Par exemple, on peut disposer une pompe, à l'extrémité inférieure d'un tube de production situé dans le puits. On a déjà proposé des installations de pompage aux tiges qui consistent en une pompe de fond volumétrique installée dans le tubage dont le piston est animé en translation depuis la surface par l'intermédiaire de tiges en acier ou en fibres de verre. En surface, le mouvement est donné au train de tiges par une structure à balancier animé par un moteur électrique rotatif ou ' bien un vérin hydraulique. Le poids propre, l'inertie, le frottement et la fatigue mécanique des tiges limitent la capacité et la performance de pompage de ces systèmes. Ils sont peu adaptés aux puits éruptifs sur lesquels des organes de sécurité de fond sont requis, aux puits profonds ou aux débits élevés (supérieures à 200 m3/j de liquide). De manière alternative la pompe peut être mue par un moteur électrique immergé au fond du puits qui est alimenté par un câble disposé dans l'espace annulaire entre le tubage et le cuvelage du puits. Un exemple de ce type de pompe est donné dans le document US 4,928,771 qui décrit une pompe rotative mue par un moteur électrique, disposé dans le puits au-dessus de la pompe. Ce type de pompe présente des inconvénients, d'abord parce qu'elle est encombrante, la pompe et le moteur formant deux unités séparées, et, de plus, parce que les deux unités sont immergées dans le fluide s'écoulant dans le puits. Ce fluide constitue un milieu agressif qui est à l'origine d'un nombre important des pannes subies par ce type de pompe. I1 a également été proposé des électropompes mues par des moteurs linéaires. Dans de telles pompes, un moteur électrique linéaire entraîne en mouvement le piston d'une pompe alternative. Le document US 4,687,054 décrit une électropompes à moteur linéaire destinée à être disposée en fond d'un puits pétrolier, le moteur linéaire étant disposé au-dessus de la pompe qui forme un sous-ensemble séparé. Le fait que le moteur et la pompe forment deux sous-ensembles séparés rend l'électropompe encombrante et lourde. Les opérations d'installation de l'électropompe dans le puits, opérations qui s'effectuent par cable ou par l'intermédiaire d'un tube à faible diamètre et son retrait périodique pour entretien, sont rendues plus difficiles et laborieuses par la présence des deux sous-ensembles et par leur poids. De plus, une électropompe formée de deux sous-ensembles a une inertie importante, et de surcroît, la liaison entre les sous-ensembles constitue un point faible de l'éléctropompe. La présente invention a donc pour objet une électropompe à moteur linéaire qui est de construction simple, compacte et fiable et qui permet de remédier aux inconvénients cités ci-avant. Pour atteindre cet objectif, l'invention propose une électropompe comprenant un moteur linéaire formé d'un stator et d'un élément mobile déplaçable sous l'effet du champ électromagnétique généré par le stator, et un piston de pompe déplaçable par le moteur linéaire caractérisée en ce que le piston est disposé à l'intérieur du stator de l'électropompe et constitue l'élément mobile du moteur linéaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante, donnée à titre explicatif mais non limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un puits pétrolier muni d'une électropompe à moteur linéaire selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une électropompe à moteur linéaire selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée, généralement en 10, une installation pour puits pétrolier dans laquelle un puits 12 s'étend entre la surface 14 et une couche de roche pétrolifère 16. Le puits 12 comporte un cuvelage 18 qui rend le puits étanche par rapport aux couches de roches traversées par le puits. A l'intérieur du puits s'étend un tubage de production 20, entre une tête de puits, représentée schématiquement en 22, et un joint 24, plus communément appelé "packer" qui est disposé, par exemple, à environ 100 m au-dessus du niveau de la roche pétrolifère 16. Une chambre 26 étanche est définie entre la paroi extérieure du tubage 20 et la paroi intérieure du cuvelage 18. Une vanne de sécurité 27 est disposée dans le tubage 20 à environ 50 m de la surface 14. Dans l'exemple illustré, le tubage 20 comporte, vers son extrémité inférieure, une électropompe, représentée généralement en 28 qui comprend une pompe alternative 30 destinée à être actionnée dans le sens de la flèche 32 par un moteur électrique linéaire 34. Le moteur électrique linéaire 34, qui, dans l'exemple illustré, est triphasé, est alimenté à partir de la surface 14 par un câble électrique 38 disposé dans la chambre 26. Dans le cas où le moteur linéaire 34 utilisé est monophasé, l'alimentation électrique peut se faire par le tubage 20 et le cuvelage 18, isolés l'un de l'autre par des séparateurs non-conducteurs (non représentés). Une telle alimentation électrique permet de se dispenser de l'utilisation du câble 38. Le moteur linéaire 34 comprend un stator 40 et un élément mobile 42 déplaçable sous l'effet du champ magnétique généré par le stator. Le stator 40 est monté à l'extérieur du tubage 20 à l'intérieur de la chambre 26. Le tubage 20, au moins dans la région 43 avoisinant le moteur linéaire 34, est formé de matériau amagnétique, choisi par exemple parmi de la céramique du bronze ou du chrome. L'élément mobile 42 est muni, à son extrémité supérieure d'une tête d'accrochage 44 qui permet de le remonter à la surface, par exemple au moyen d'un câble ou d'un tube à faible diamètre, plus communément appelé "coiled tubing". L'extrémité inférieure du tubage 20 est munie d'un clapet anti-retour 46 permettant l'écoulement de fluide, provenant de la couche pétrolifère 16, vers l'électropompe 28 dans le sens des flèches 48. Comme représenté plus en détail sur la figure 2, et selon l'invention, l'élément mobile 42 du moteur linéaire 34 forme également le piston de l'électropompe 28. Cet élément mobile 42 comprend un induit 50, formé, par exemple, de plusieurs sections magnétiques laminés 52 de préférence en fer doux. A son extrémité inférieure, l'élément mobile comporte un clapet anti-retour 54 permettant le passage de fluide, provenant du fond du puits, vers la surface. Cette configuration est particulièrement propice à l'efficacité du pompage quand l'effluent contient de fortes proportions de gaz. Cependant, le clapet anti-retour peut, de manière alternative, être monté à l'extrémité supérieure de l'élément mobile. Ce type d'agencement peut s'utiliser particulièrement quand l'effluent à pomper contient peu ou pas de gaz. Lorsque le moteur linéaire est mis sous tension, l'élément mobile 42 est entraîné en mouvement axial dans le sens de la flèche 56, déplaçant vers la surface 14 le fluide présent dans le tubage 20. Ensuite l'élément mobile redescend vers sa position initiale, la plus près de l'extrémité inférieure du tubage 20, le clapet anti-retour 54 s'ouvrant afin de permettre au fluide présent entre le clapet anti-retour 48, fermé, et le piston de l'électropompe, de passer au-travers de l'élément mobile 42 par un passage axial 58. L'élément mobile peut redescendre sous l'effet de son propre poids, ou en actionnant le moteur linéaire en sens inverse. La durée d'un cycle de pompage est fonction de la longueur axiale du stator. Cette longueur peut éventuellement dépasser 10 m. Une longue course du piston de l'électropompe présente l'avantage de réduire le nombre d'opérations des clapets anti-retour 46 et 54. Une course longue de l'éléctropompe convient particulièrement lorsque l'effluent pompé est du pétrole brut lourd ou fortement gazé. On peut faire varier la vitesse de déplacement du piston de l'électropompe en fonction des caractéristiques de l'effluent à pomper, en utilisant un variateur de fréquence disposé dans le circuit d'alimentation électrique du stator. Le refroidissement du moteur linéaire 34 est assuré par l'effluent extrait qui traverse le passage axial 58. La chambre 26 contenant le stator 40 et le câble électrique 38 peut, dans un mode de réalisation préférée, recevoir une substance diélectrique, un liquide ou un gel, afin de renforcer encore la pérennité de l'installation. L'utilisation d'un gel présente aussi l'avantage d'isoler thermiquement le tubing, qui conserve ainsi toute la chaleur du fluide y compris celle reçue du moteur, ainsi que celle dissipée par le câble 38 qui longe le tubage, ce dernier lui faisant office de radiateur réfrigérant. Cette isolation thermique assurera un meilleur rendement énergétique global de l'installation, en facilitant les écoulements. La lubrification entre les parties mobiles et fixes se fait avec des matériaux amagnétiques appropriés (céramique, zirconium, téflon, carbures ou bronze), et/ou avec un film d'effluent mis en place par effet hydrodynamique. Un système parallèle de lubrification pourrait aussi être mis en place. REVENDICATIONS 1 - Electropompe comprenant un moteur linéaire (34) formé d'un stator (40) et d'un élément mobile (42) déplaçable sous l'effet du champ électromagnétique généré par le stator, et un piston de pompe déplaçable par le moteur linéaire caractérisée en ce que le piston (42) est disposé à l'intérieur du stator (40) de l'électropompe et constitue l'élément mobile du moteur linéaire. 2 - Electropompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la longueur axiale du stator (40) est sensiblement supérieure a celle du piston (42). 3 - Electropompe selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le piston (42) est munie d'un clapet anti-retour (54). 4 - Une installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface (14) vers une couche de roche pétrolifère (16) comprenant un tubage (20) disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de roche pétrolifère, une pompe disposée dans le tubage et comprenant un piston (42), et un moteur linéaire, comprenant un stator (40) et un élément mobile (42) déplaçable sous l'effet du champ électromagnétique généré par le stator, et destiné à actionner le piston de la pompe, caractérisée en ce que le piston (42) de la pompe est disposé à l'intérieur du stator (40), et constitue l'élément mobile du moteur linéaire. 5 - Installation selon la revendication 4 caractérisée en ce que le moteur linéaire est monophasé, l'alimentation électrique se faisant par le tubage (20) et le cuvelage (18), isolés l'un de l'autre par des séparateurs.