Brevet FR2756018A1 — publié le 19980522

Pompe & engrenages hélicoïdaux. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux pompes à engrenages, ou pompes Moineau, comportant deux engrenages hélicoïdaux intérieurs l'un à l'autre, l'engrenage hélicoïdal interne qui est rotatif (rotor) ayant une dent de moins que l'engrenage hélicoïdal externe qui est fixe (stator). Il est connu d'utiliser de telles pompes dans l'industrie pétrolière, pour l'extraction du pétrole hors d'un puits. Le rotor est constitué en acier à haute résis- tance, revêtu de chrome pour supporter l'abrasion; il est suspendu à l'extrémité d'un train de tiges qui l'entraîne en rotation. Le stator est constitué en élastomère moulé enchassé dans un tube d'acier; il est suspendu à l'extré- mité d'un train de tubes entourant le susdit train de tiges. L'étanchéité entre rotor et stator est obtenue en donnant au rotor un diamètre légèrement supérieur au diamètre minimum du stator. Les pompes ainsi constituées donnent toute satisfac- tion dans des puits de pompage dans lesquels la température n'excède pas environ 140 C. Par contre, dans les puits dans lesquels la tempéra- ture dépasse 140 C, les pompes agencées de façon tradition- nelle comme indiqué ci-dessus ne peuvent plus être em- ployées, d'une part, parce que l'élastomère constitutif du stator ne peut pas supporter de telles températures sans être endommagé et, d'autre part, en raison de la dilatation de l'élastomère qui est supérieure à celle du métal et qui entraîne un serrage excessif du rotor dans le stator. L'invention a essentiellement pour but de remédier à cet inconvénient et de proposer un agencement perfectionné de pompe Moineau propre à fonctionner de façon correcte dans une large plage de température pouvant s'étendre jusqu' a une température notablement supérieure à 140 C, et qui soit donc utilisable notamment pour l'extraction pétrolière en puits profond. A cette fin, une pompe à engrenage ou pompe Moineau perfectionnée conformément à l'invention se caractérise essentiellement en ce que le rotor et le stator sont constitués en des matériaux respectifs ayant des coeffi- cients de dilatation thermique respectifs conduisant à des dilatations respectives du rotor et du stator telles qu'un jeu approximativement constant soit maintenu entre le rotor et le stator sur une plage de température ambiante comprise entre environ 15 C et environ 300 C. L'agencement perfectionné conforme à l'invention repose sur le fait que, en raison du choix approprié des matériaux constitutifs respectivement du rotor et du stator, les dimensions transversale et longitudinale du rotor et respectivement les dimensions transversale et longitudinale de la cavité du stator évoluent dans les mêmes sens et du même ordre de grandeur lors de variations thermiques (c'est- à-dire que la dimension transversale du rotor et la dimen- sion transversale de la cavité du stator augmentent sensi- blement du même ordre de grandeur lorsque la température croît et diminue sensiblement du même ordre de grandeur lorsque la température décroît). La pompe reste donc fonctionnellement opérationnelle en présence de variations thermiques ambiantes lorsque le rotor et le stator sont constitués en des matériaux respec- tifs ayant des coefficients de dilatation thermique tels qu'un jeu fonctionnel prédéterminé entre rotor et stator soit conservé de façon approximative sur une large plage de température, allant d'environ 15 C (température ambiante d'assemblage du rotor dans le stator en atelier) jusqu'à une température ambiante en fonctionnement de l'ordre de 300 C. En pratique, et notamment pour l'utilisation plus particulièrement envisagée de la pompe agencée conformément à l'invention dans le domaine de l'extraction pétrolière en puits profond, la plage de température opérationnelle de la pompe peut être d'environ 40 C à environ 250 C. Il résulte de ce qui précède que les deux matériaux constitutifs respectivement du stator et du rotor doivent, pour que soit conservé approximativement constant le jeu entre rotor et stator, posséder des coefficients de dilata- tion thermique du même ordre de grandeur, voire relativement voisins. I1 en résulte que, le rotor étant métallique pour posséder une résistance mécanique suffisante, il est souhaitable que le stator soit lui aussi métallique. Dans ces conditions, un choix préféré de matériaux est donné dans le tableau qui suit, dans lequel le coeffi- cient de dilatation thermique linéaire est exprimé en mm/ /mm x 10-6 pour chacun: acier Z 30 C 13 11,8 acier 316 L 16,5 fonte FGS 415 11 fonte FGS Ni 20 16 fonte FGS Ni30 Cr 1 12 bronze UE7 Pb 6 Z 4 17 Le matériau constitutif du rotor et le matériau constitutif du stator sont choisis de façon à être compati- bles mécaniquement vis-à-vis des problèmes de frottement et d'usure, et sont donc sélectionnés en conformité avec les règles connues de l'Homme de Métier. En pratique, la Demanderesse estime qu'actuellement un couple de matériaux préférentiellement appropriés dans le cadre de l'invention est formé par l'acier 316 L, dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est de 16,5 x -6 mm/ /mm, pour constituer le rotor et le bronze UE7 Pb6 Z4, dont le coefficient de dilatation thermique linéaire est de 17 x 10-6 mm/ /mm, pour constituer le stator. Le rotor et le stator peuvent être fabriqués par tout procédé et tous moyens connus de l'Homme de Métier. Pour ce qui est plus particulièrement du stator, on pourra avantageusement avoir recours à l'un des deux procédés de fabrication suivants: - le stator peut être fabriqué par compression extérieure d'une pièce massive autour d'un poinçon ayant le profil définitif de la forme intérieure (cavité) du stator; - le stator est constitué d'éléments individuelle- ment obtenus par fluotournage et raccordés entre eux par des manchons. Comme il ressort clairement de ce qui précède, un domaine privilégié (bien que non exclusif) d'utilisation d'une pompe à engrenages ou pompe Moineau agencée conformé- ment à l'invention réside dans l'extraction pétrolière en puits profond, avec une température ambiante en fond de puits pouvant varier d'environ 40 C à environ 250 C. REVENDICATIONS 1. Pompe à engrenages, ou pompe Moineau, comportant deux engrenages hélicoïdaux intérieurs l'un à l'autre, l'engrenage hélicoïdal interne qui est rotatif (rotor) ayant une dent de moins que l'engrenage hélicoïdal externe qui est fixe (stator), caractérisée en ce que le rotor et le stator sont constitués en des matériaux respectifs ayant des coefficients de dilatation thermique respectifs conduisant à des dilatations respectives du rotor et du stator telles qu'un jeu approxi- mativement constant soit maintenu entre le rotor et le stator sur une plage de température ambiante comprise entre environ 15 C et environ 300 C. 2. Pompe à engrenages selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau constitutif du rotor et le matériau constitutif du stator sont choisis de façon mécaniquement compatible parmi l'acier Z 3 OC 13, l'acier 316L, la fonte FGS 415, la fonte FGS Ni 20, la fonte FSG Ni Crl et le bronze UE 7 Pb 6Z4. 3. Pompe à engrenages selon la revendication 2, caractérisée en ce que le rotor est constitué en acier 316L et le stator en bronze spécial UE 7 Pb 6Z4. 4. Pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le jeu sensi- blement constant entre rotor et stator est maintenu sur une plage de température d'environ 40 C à environ 250 C. 5. Pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le stator est fabriqué par compression extérieure d'une pièce massive autour d'un poinçon ayant le profil définitif de la forme intérieure du stator. 6. Pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le stator est constitué par des éléments individuellement obtenus par fluotournage et raccordés entre eux par des manchons. 7. Utilisation d'une pompe à engrenages selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour l'extraction de produits pétroliers en puits profond.