Brevet FR2772827A1 — publié le 19990625

Dispositif d'entraînement avec frein hedraulique de dévirage pour pompe en puits PrOfOnd. La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux dispositifs d'entraînement avec frein hydraulique de dévirage pour pompe en puits profond, propre à entraîner un train de tiges faisant tourner le rotor d'une pompe située au fond du puits, ce dispositif comportant - un arbre vertical d'entraînement muni, à son extrémité inférieure, de moyens d'accouplement avec l'extrémité supérieure du train de tiges, - des moyens moteurs accouplés audit arbre d'entraînement, - et des moyens de freinage hydraulique unidirectionnel interposés entre les moyens moteurs et l'arbre d'entraîne ment, lesdits moyens de freinage comprenant un dispositif hydraulique tournant fonctionnant en frein associé fonctionnellement à un dispositif à roue libre unidirec tionnelle. Dans les pompes en puits profond telles que celles employées dans le domaine de l'extraction pétrolière, la pompe, disposée au fond du puits, est entrainée en rotation de façon mécanique à partir de la surface à l'aide d'un ensemble de tiges mises bout-à-bout ou train de tiges mû à son extrémité supérieure par un moteur de surface. Or, compte tenu de sa très grande longueur (parfois plus de 1000 m), le train de tige subit une torsion sensible autour de son axe. Par ailleurs, le train de tiges s'étend à l'intérieur d'une tuyauterie de production en définissant avec celle-ci un conduit annulaire par lequel le produit pompé est refoulé jusqu'en surface. En raison de la grande longueur du forage, la colonne de produit qui est présente dans la tuyauterie de production et qui surmonte la pompe possède un poids considérable. Dans ces conditions, lors des périodes d'arrêt de la pompe (par exemple arrêt volontaire pour entretien ou arrêt involontaire lors d'une panne d'entraînement), la torsion mécanique du train de tiges et, en l'absence de clapet antiretour, le poids de la colonne de produit présent dans la tuyauterie de production tendent, de façon cumulée, à faire tourner la pompe en sens inverse de son sens normal de fonctionnement ("dévirage" de la pompe). Compte tenu des efforts très importants mis en jeu, cette rotation inverse peut s'effectuer à vitesse très élevée et entraîner des vibrations très importantes de la ligne d'arbre jusqu'à la surface, y compris le palier de l'arbre de la pompe et les moyens moteurs. Il peut même en résulter, parfois, la casse du matériel rendant la machine dangereuse pour les opérateurs. Il est donc indispensable d'équiper l'installation de moyens permettant de limiter la vitesse de rotation inverse afin que le dévirage puisse se produire sans danger, tout en autorisant un fonctionnement normal de la pompe et du train de tige pendant les phases de pompage. A cet effet, il est connu (GB-A-2 299 849) d'avoir recours à un coupleur hydraulique et à une roue libre couplés sur l'arbre d'entraînement du train de tiges : dans le sens de rotation directe (pompage), la roue libre débraye le coupleur hydraulique, et le train de tiges et la pompe sont entralnés normalement ; dans le sens de rotation inverse (dévirage), la roue libre accouple mécaniquement l'arbre d'entraînement du train de tiges au rotor du coupleur hydraulique dont le stator est fixe et qui joue ainsi le rôle du ralentisseur. Il faut toutefois noter que dans un coupleur hydraulique il existe un jeu minime entre rotor et stator ce dispositif est donc de fabrication délicate et il est coûteux ; en outre, la précision même de sa réalisation le rend peu propre à un emploi dans le domaine de l'exploita- tion pétrolière où les conditions d'utilisation des matériels sont particulièrement sévères. L'invention a donc essentiellement pour but de proposer un dispositif perfectionné propre à satisfaire aux diverses exigences, aussi bien techniques qu'économiques. A ces fins, un dispositif d'entraînement tel que mentionné au préambule se caractérise, étant agencé conformément à l'invention, en ce que le dispositif hydraulique tournant comprend une pompe hydraulique centrifuge équipée d'au moins une roue à refoulement radial et d'un stator à diffuseur radial. Pour équilibrer les poussées axiales s 1exerçant sur la roue de la pompe centrifuge, il est avantageux que la roue à refoulement radial soit à double entrée axiale opposée. (roue à double oeillard). Bien que de nombreux agencements soient possibles en pratique, il est toutefois préférable, notamment pour réduire l'encombrement et simplifier l'architecture du dispositif, que la pompe centrifuge et le dispositif à roue libre soit coaxiaux, notamment en étant juxtaposés, et en particulier qu'ils soient calés sur l'arbre de sortie des moyens moteurs, ce qui procure une grande souplesse d'implantation. En particulier, on peut prévoir que l'arbre commun de la pompe centrifuge et de la roue libre soit de préférence un arbre moteur sensiblement perpendiculaire à l'arbre d'entraînement et accouplé à ce dernier par l'intermédiaire d'une transmission à renvoi d'angle, ou bien soit sensiblement parallèle à l'arbre d'entraînement et accouplé à ce dernier par une transmission droite, ou bien encore soit coaxial à l'arbre d'entraînement et prolonge ce dernier. Pour accroître les possibilités offertes par le dispositif conforme à l'invention, on peut avantageusement prévoir que celui-ci comprenne en outre un verrou escamotable, notamment associé au dispositif à roue libre, propre à empêcher toute rotation inverse de l'extrémité supérieure du train de tiges. Gracie aux dispositions qui viennent d'être exposées, le dispositif de l'invention est apte à assurer la fonction de ralentissement de la rotation inverse du train de tige et de la pompe, en mettant en oeuvre, en tant que ralentisseur, une pompe hydraulique centrifuge qui procure une dissipation d'énergie croissante avec la vitesse de rotation, ce qui rend le freinage progressif : plus la vitesse croît, plus le freinage est efficace. En outre il n'y a pas de pièces frottantes et l'usure est minime. De plus, les pièces étant immergées dans l'huile, le dispositif est anti-déflagrant (hors moteur) et particulièrement bien adapté au milieu pétrolier. Par ailleurs, le dispositif est entièrement autonome et automatique et il ne requiert aucune source d'énergie externe. Enfin, la pompe centrifuge est d'une construction moins complexe qu'un coupleur hydraulique notamment le jeu entre la roue à refoulement radial et le carter à diffuseur radial n'est pas critique et n'a pas à être aussi faible et aussi précis que pour un coupleur hydraulique : le recours à une pompe centrifuge se révèle ainsi moins onéreux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples purement illustratifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 3 sont des vues en coupe de respectivement trois modes de réalisation d'un dispositif d'entraînement agencé conformément à l'invention, le mode de réalisation de la figure 1 étant actuellement considéré comme préféré. En se référant tout d'abord à la figure 1, le dispositif d'entraînement propre à entraîner le train de tiges faisant tourner le rotor d'une pompe située au fond d'un puits comporte un arbre vertical d'entraînement 1 agencé de toute manière appropriée (par exemple arbre creux comme illustré, ou bien arbre plein) et équipé à son extrémité inférieure de moyens 2 propres à permettre son accouplement en rotation avec l'extrémité supérieure de la tige supérieure du train de tiges (non montrée) ; ces moyens sont agencés de toute manière appropriée connue de l'homme de métier. L'arbre est enfermé dans un carter 3 duquel émerge l'extrémité inférieure de l'arbre et/ou le train de tiges, et il est solidaire d'une fourrure 4 qui repose sur une table 5, solidaire intérieurement du carter, par l'intermédiaire d'un roulement à rouleaux coniques 6. Pour assurer le positionnement vertical de l'arbre 1, la fourrure 4 est guidée par deux paliers à billes 7, situés respectivement supérieurement au niveau du chapeau de carter et inférieurement au niveau de la table 5. De toute façon, cette partie du dispositif peut être agencée de toute façon souhaitable et n'entre pas dans le cadre de la présente invention. La fourrure 4 est solidaire d'un engrenage conique 8 coaxial à l'arbre 1 et qui engrène avec un autre engrenage conique 9 solidaire d'un arbre moteur 10 disposé approximativement perpendiculairement à l'arbre 1. L'arbre 10 est mû en rotation par des moyens moteurs directement calés sur lui, ou par l'intermédiaire d'une transmission quelconque, par exemple à courroies et poulies (seule la poulie 11 calée en bout de l'arbre 10 étant montrée à la figure 1). Entre la poulie 11 et l'engrenage 9, l'arbre 10 supporte une pompe hydraulique centrifuge 12 et un dispositif à roue libre unidirectionnelle 13. Ces deux organes sont réunis dans un carter commun 14 et sont supportés par l'arbre 10 par l'intermédiaire de paliers à billes. La pompe centrifuge 12 est d'un type classique et comprend une roue intérieure ou rotor 15 à refoulement radial et un stator 16 à diffuseur radial. La roue 15 comportent deux entrées 17 axiales s'ouvrant en direction l'une de l'autre dans la chambre annulaire intérieure 18 formant réserve d'huile, afin que les efforts de réaction axiaux respectifs se compensent. Les entrées axiales 17 sont raccordées par deux conduits coudés 19 respectifs à une sortie radiale unique 20. Le stator 16 fixé au carter 14 comporte, en regard de la sortie radiale 20 du rotor, un diffuseur radial 21 constitué d'ailettes dont le nombre et la conformation sont déterminés de manière que soit procurée une dissipation d'énergie propre à conférer l'effet de freinage souhaité. Le rotor 15 est accouplé au dispositif à roue libre 13 par l'intermédiaire d'un arbre creux 22 coaxial à l'arbre moteur 10. Le dispositif à roue libre 13 disposé coaxialement à l'arbre 10 peut être de tout type connu de l'homme de métier. Lorsque les moyens moteurs sont en fonctionnement et entraînent l'arbre moteur 10, le dispositif à roue libre 13 n'est pas activé et la pompe hydraulique centrifuge 12 n'est pas en fonction. L'arbre moteur 10 tourne librement et, par le renvoi d'angle 8, 9, entraîne l'arbre 1 qui actionne le train de tige et la pompe située à l'extrémité de celle-ci. Lors d'un arrêt de la machine, le train de tiges commence à tourner en sens inverse (dévirage). Ce mouvement est transmis, par le renvoi d'angle 8, 9, à l'arbre moteur 10, ce qui a pour effet d'enclencher le dispositif à roue libre 13 et, par là-même, de mettre en rotation le rotor de la pompe centrifuge 12. Cette pompe procure ainsi un effet de freinage d'autant plus efficace que la vitesse de rotation est élevée. Bien entendu, la constitution de la pompe centrifuge mentionnée plus haut n'a été indiqué qu'à titre d'exemple et n'est pas restrictive. L'agencement illustré à la figure 1 avec un renvoi d'angle accouplant l'arbre moteur 10 et l'arbre d'entraînement 1 qui s'étendent sensiblement perpendiculairement l'un à l'autre est celui qui réunit les avantages les plus nombreux en matière d'organisation des différentes parties constitutives et de facilité d'accès pour l'entretien. Toutefois, d'autres agencements peuvent être envisagés sans sortie du cadre de l'invention. Par exemple, comme illustré à la figure 2, l'arbre moteur 10 et l'arbre d'entraînement 1 peuvent être coaxiaux et constitués d'une seule pièce, l'ensemble de freinage formé par la pompe centrifuge 12 et le dispositif à roue libre 13 surmontant le carter 3. Dans l'exemple de la figure 2, l'arbre moteur 10 est accouplé, par un accouplement élastique 23, à l'arbre de sortie du moteur 24, lequel est alors fixé en position coaxiale sur le dessus du carter 14. Sur la figure 2, on a repris les mêmes références numériques pour désigner les organes identiques à ceux de la figure 1, étant évident que les engrenages coniques 8 et 9 et la poulie 11 n'existent plus. Dans un autre exemple représenté à la figure 3, l'arbre moteur 10 est sensiblement parallèle à l'arbre d'entraînement 1 : deux engrenages droits 25, calés respectivement sur l'extrémité de l'arbre moteur 10 et sur la fourrure 4 de l'arbre d'entraînement 1, assurent leur accouplement en rotation. Les mêmes références numériques ont été conservées pour désigner les organes identiques à ceux de la figure 1. De la même manière que dans l'exemple de la figure 2, le moteur 24 est fixé au carter 14 et accouplé en rotation directement à l'arbre moteur 10 par l'intermédiaire d'un accouplement élastique 23. D'autres dispositions sont bien entendu envisageables. En particulier, quelle que soit la configuration d'implantation retenue pour l'arbre moteur 10, il est possible de faire en sorte que la pompe centrifuge 12 et le dispositif à roue libre 13 ne soient pas calés directement sur lui, mais forment un ensemble séparé, disposé latéralement à l'arbre 10 et accouplé à lui par une transmission à engrenages droits ou coniques selon l'orientation de l'arbre secondaire par rapport à l'arbre 10. En outre, comme représenté sur les figures 1 à 3, il est possible de prévoir un verrou escamotable 26, actionné de toute façon souhaitable (manuellement, télécommandé électriquement ou hydrauliquement), associé par exemple au dispositif à roue libre 13 et propre à empêcher toute rotation du train de tiges lors d'un arrêt du moteur, par exemple en bloquant l'arbre moteur 10. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement avec frein hydraulique de dévirage pour pompe en puits profond, propre à entraîner un train de tiges faisant tourner le rotor d'une pompe située au fond du puits, ce dispositif comportant - un arbre vertical d'entraînement (1) muni, à son extrémité inférieure, de moyens (2) d'accouplement avec l'extrémité supérieure du train de tiges, - des moyens moteurs (24) accouplés audit arbre d'entraîne ment, - et des moyens de freinage hydraulique unidirectionnel interposés entre les moyens moteurs (24) et l'arbre d'entraînement (1), lesdits moyens de freinage comprenant un dispositif hydraulique tournant (12) fonctionnant en frein associé fonctionnellement à un dispositif à roue libre unidirectionnelle (13), caractérisé en ce que le dispositif hydraulique tournant comprend une pompe hydraulique centrifuge (12) équipée d'au moins une roue (15) à refoulement radial et d'un stator (16) à diffuseur radial. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe centrifuge (12) est équipée d'au moins une roue (15) à refoulement radial à double entrée axiale opposée (18). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pompe centrifuge (12) et le dispositif à roue libre (13) sont coaxiaux. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pompe centrifuge (12) et le dispositif à roue libre (13) sont calés l'un à la suite de l'autre sur l'arbre commun (10). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'arbre commun de la pompe centrifuge (12) et du dispositif à roue libre (13) est un arbre moteur (10) sensiblement perpendiculaire à l'arbre d'entraînement (1) et accouplé à ce dernier par l'intermédiaire d'une transmission à renvoi d'angle (8, 9). 6. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'arbre commun de la pompe centrifuge (12) et du dispositif à roue libre (13) est un arbre moteur (10) sensiblement parallèle à l'arbre d'entraînement (1) et accouplé à ce dernier par une transmission droite (25). 7. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'arbre commun (10) de la pompe centrifuge (12) et du dispositif à roue libre (13) est coaxial à l'arbre d'entraînement (1) et prolonge ce dernier. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un verrou escamotable (26), notamment associé au dispositif à roue libre (13), propre à empêcher toute rotation de l'extrémité supérieure du train de tiges.