Brevet FR2783560A1 — publié le 20000324

La présente invention concerne les unités hydrauliques de surface servant à actionner une pompe verticale alternative, en particulier une pompe d'extraction souterraine disposée au fond d'un puits d'extraction, notamment d'un puits de production pétrolier, dans les cas o le fluide à produire ne peut de lui même sortir du puits à cause d'une pression de fond inférieure à la pression hydrostatique que génère la colonne de ce même fluide jusqu'à la surface. Habituellement de telles installations de pompage se composent d'une pompe d'extraction à piston descendue à l'intérieur du puits à une profondeur déterminée. Le corps de la pompe est solidaire du tubing de production. Le piston est mobile et relié à l'unité d'actionnement disposée en surface ou sur une plate-forme offshore, par des tiges vissées les unes aux autres. Ce genre de pompage est souvent à clapets. La course du piston et la cadence sont fonction de la capacité de débit du puits et des caractéristiques du fluide à produire. Plusieurs types d'unités d'actionnement de surface sont actuellement en service notamment: * le type à balancier entraîné par un système mécanique à engrenage et qui confère au balancier solidaire du train de pompage un mouvement uniforme vertical, mouvement au cours duquel la vitesse de montée et de descente est toujours égale. * le type à vérin hydraulique, dont le piston accouplé à la tringlerie de la pompe d'extraction souterraine par l'intermédiaire d'une tige polie, coulisse sous l'action d'une centrale hydraulique de puissance associée, dans un cylindre fixé lui même verticalement sur la tête de puits par l'intermédiaire d'une bride presse étoupe; La tige polie se trouvant alternativement et dans le fluide de puissance et dans le fluide du puits. La centrale de puissance permet de pouvoir modifier indépendamment l'une et l'autre la vitesse de remontée et de descente du piston. L'invention présentée a pour objectif de réaliser une unité d'actionnement de surface à un ou plusieurs vérins hydrauliques positionnés à coté et/ou autour de la tête de puits, actionnée par une centrale d'énergie associée, qui permet: * la libre intervention sur le train de pompage, * l'interchangeabilité immédiate avec une unité à balancier, * la facilité de mise en place et de retrait, * la réduction de la hauteur du vérin grâce au système doubleur de course, * la facilité d'accès aux presses étoupe de la tige polie ainsi qu'à celui ou ceux du ou des pistons * de supprimer un possible contact entre le fluide de puissance et le fluide du puits, O la manoeuvre du train de tiges de pompage en cas d'incident sur celui-ci sans avoir recours à une unité spécialisée, * de pouvoir améliorer les performances de production de fluides lourds et visqueux. On a déjà présenté des unités de pompage hydraulique dont la centrale était conçue pour récupérer une partie de l'énergie potentielle pendant la descente des vérins et la stocker dans un accumulateur oléo- pneumatique dans lequel la pompe d'injection refoule pendant la descente du piston et aspire pendant le refoulement vers le piston. L'invention a aussi pour objet de présenter le système doubleur de course comme une innovation dans l'action alternative de surface de pompage aux tiges. Il reprend le principe suivant lequel une ligne fixe d'un côté, libre de l'autre côté, passant par un axe se mouvant perpendiculairement par rapport à la ligne, tout mouvement de va et vient de l'axe entraîne un mouvement double du côté libre de la ligne.( FIGURE 9) vue de face Avantageusement dans le cas de l'invention proposée, cette technique est appliquée à une unité d'actionnement hydraulique de surface telle que décrite ci-après suivant la figure n 1 vue de face. Un vérin (101) est posé à côté de la tête de puits (113) dans un fourreau (106) fixé sur une plaque de base (108), elle même solidarisée à la tête de puits (113) et calée par la structure (117). Un portique (103) surmonte le piston (102) du vérin (101). Ce portique est muni de deux roues, qui peuvent être galets ou poulies(103.1), qui débordent de chaque côté. Une ligne (104), chaîne ou câble, fixée à une extrémité (107) sur la plaque de base (108) passe par dessus le portique (103) par l'intermédiaire des roues (galet ou poulie) (103.1) et se fixe sur un étrier (118), bloqué sur la tige polie (110) solidaire du train de pompage. Quand le piston (102) du vérin (101)alimenté par le fluide de puissance en provenance de la centrale hydraulique (figure n0 3) à travers la ligne d'alimentation (115), est animé d'un mouvement ascendant ou descendant, ce même mouvement est transmis multiplié par deux par l'intermédiaire de la ligne (104) à la tige polie (110) solidaire du train de pompage. Le presse étoupe (105) du vérin (101) ainsi que le presse étoupe (109) de la tige polie (110) sont parfaitement accessibles. Les mouvements ascendants et descendants du piston (102) du vérin (101) sont contrôlés par les détecteurs de fin de course (116-116.1). Une variante à la plaque de base (207) se compose d'une structure (501) posée à côté de la tête de puits (113) par dessus la cave (400) et supportant l'unité d'actionnement hydraulique (figure n 5) vue de dessus. Avantageusement une variante à l'unité d'actionnement hydraulique présentée dans la figure n 1 est réalisée par l'accouplement de plusieurs vérins (101) agissant ensembles dont la ligne de traction individuelle est fixée à une structure solidaire de la tige polie (figure n 2)vue de face. Plusieurs vérins (101), (3 dans la figure n 2), sont posés en triangle à égale distance les uns des autres et de l'axe du puits, chacun dans un fourreau (106) posé lui-même sur la plaque de base (207), elle-même solidarisée à la tête de puits (113) calée par les entretoises (208). Les trois vérins (101) sont reliés entre eux au sommet de leur corps par une structure (214). Un portique (103) surmonte le piston (102) de chaque vérin (101). Ces portiques sont reliés entre eux par une structure (215) (figure n 8) Vue de dessus. Ces portiques (103) sont chacun munis de deux roues (galet ou poulie)(103.1) qui débordent de chaque côté. Chaque ligne (104), chaîne ou câble, est fixée à une extrémité (107) sur la plaque de base (207), passe par dessus le portique (103) qui surmonte le piston (102) du vérin (101), par l'intermédiaire des roues (galets ou poulies), et va se fixer en un angle de la table (213) qui supporte elle-même la tige polie (110) par l'intermédiaire d'un étrier (211). Les vérins (101) sont alimentés simultanément en fluide de puissance par l'intermédiaire de la centrale hydraulique associée (figure no 3). Le fonctionnement est identique à celui de l'unité simple vérin (figure n 1) déjà décrite. Une variante à la plaque de base (207) se compose d'une structure (figure n 4) posée autour de la tête de puits (113) par dessus la cave (400) et supportant l'ensemble de l'unité d'actionnement hydraulique à plusieurs vérins. L'invention a aussi pour objet de réaliser une centrale hydraulique de puissance qui permette outre la récupération d'énergie potentielle pendant la descente du ou des pistons du ou des vérins, de nouvelles améliorations telles que décrites dans le fonctionnement ci-après suivant la figure n 3).Vue de dessus. La pompe principale (301,302) à débit qui peut être fixe, aspire dans le réservoir (319), par l'intermédiaire de la conduite (311) et refoule par l'intermédiaire de la conduite (312) munie d'un clapet anti retour (310) en permanence dans au moins un accumulateur oléo-pneumatique (303). C'est à partir de celui-ci que le fluide de puissance par l'intermédiaire d'un régulateur de débit (307) et d'une électro vanne de distribution à plusieurs voies (306), commandée à travers le coffret de distribution (320) lequel reçoit les informations des capteurs (116) de fin de course du ou des pistons (102) du ou des vérins (101) par la ligne de puissance électrique (322) et aussi par un régulateur de temps d'injection (309), est dirigé sur le ou les vérins (101) par la conduite d'alimentation (221). La vanne à plusieurs voies (306) organise en fonction des informations reçues le mouvement de va et vient du ou des pistons (102). Elle est aussi pilotée si on veut changer la longueur de la course par un régulateur de temps d'injection (309) qui remplace le capteur de fin de course haute du ou des pistons (102). Le retour du fluide de puissance pendant le descente du ou des pistons (101) est dirigé par l'électro vanne à plusieurs voies (306) par l'intermédiaire de la conduite (314) à travers un régulateur de débit (307.1) sur un moteur hydraulique (304) qui actionne une pompe (305). Cette pompe aspire dans le réservoir (319) par l'intermédiaire de la conduite (316) et refoule par l'intermédiaire de la conduite (312.1) munie d'un clapet anti retour (310) dans l'accumulateur oléopneumatique (303). A la sortie du moteur hydraulique (304) le fluide est dirigé par l'intermédiaire de la conduite (315) vers un aéro réfrigèrent (317) et de là dans le réservoir (319). Le régulateur de débit (307) règle le débit du fluide de puissance vers le ou les vérins (101), et de ce fait règle la vitesse de montée du ou des pistons (102). Le régulateur de débit (307.1) règle le débit du fluide de puissance en provenance du ou des vérins (101) pendant la descente du ou des pistons (102) et de ce fait règle la vitesse de descente. Le régulateur de temps de débit (309) est utilisé pour faire varier la longueur de la course du ou des pistons (102). Il est couplé par le coffret de distribution (320) à l'électro vanne (306) et déclenche son fonctionnement suivant le temps d'injection choisi. Quant il est utilisé il occulte la fonction du détecteur de fin de course haute (116); celui-ci restant en activité se trouve en position de sécurité de fin de course. L'invention a aussi pour objet d'apporter une solution à partir de l'unité hydraulique d'actionnement alternative de surface déjà décrite, au problème de pénétration du piston de la pompe d'extraction de fond et du mouvement du train de tige dans un fluide lourd et visqueux (figure n 6) Vue de face. Avantageusement le fonctionnement de l'unité d'actionnement alternatif de surface est couplé par l'intermédiaire de la pompe d'extraction à piston de fond (601) à laquelle on a retiré le clapet anti retour de pied et qui est reliée par l'intermédiaire d'une colonne de tubes (602) dite d'injection à un cylindre (606) dans lequel coulisse un piston libre (605); la base de ce cylindre possédant une ouverture. Ce cylindre est contenu dans une capacité (603) qui présente à la base une ouverture munie d'un clapet anti retour (607) et qui débouche dans le puits. Ici parallèlement (un autre arrangement peut se présenter sous une forme concentrique) à la colonne de tubes (602-604) une autre colonne (608) dite de production, relie directement la capacité (603) à la surface. Cette colonne de tube (608) possède une clapet anti retour (609) au départ de la capacité (603). La colonne de tubes (604- 602) est remplie, du piston libre (605) à la centrale de puissance annexe (figure 7), par un fluide qui présente les meilleures caractéristiques pour le fonctionnement de la pompe d'extraction de fond (600). Quand un mouvement ascendant du piston (601) de la pompe d'extraction de fond (600) est généré par l'unité hydraulique d'actionnement de surface, il se crée un appel de fluide au niveau du piston (605) donc une dépression qui fait reculer le Ledit piston dans le cylindre (606) laissant entrer par l'ouverture (607) le fluide du puits. Les volumes intérieurs du cylindre (606) et de la pompe d'extraction de fond (600) peuvent être différents. Les deux pompes fonctionnent en tandem. Le mouvement inverse du piston libre (605) est généré par une centrale de puissance annexe (figure 7)Vue de face.Le piston libre,peut être remplacé par une vessie dont l'augmentation et la diminution de volume serait générés par les mêmes mouvements de la pompe de fond. Cette centrale est conçue sur le même principe que la centrale de puissance (figure 3) de l'unité d'actionnement de surface. Une pompe (703) à débit, qui peut être fixe, entraînée par un moteur associé (702) aspire le fluide prévu pour le fonctionnement dans un réservoir (701) par la conduite (710). La pompe (703) refoule en permanence ce fluide dans au moins un accumulateur oléo-pneumatique (704) par l'intermédiaire de la conduite (711) qui possède un clapet anti retour (707). C'est à partir de l'accumulateur (704) que le fluide de puissance par l'intermédiaire du régulateur de débit (705) et de l'électro vanne à plusieurs voies (706), pilotée à travers le coffret de distribution (320) de la centrale de puissance de l'unité d'actionnement de surface (figure 3), lequel reçoit les informations des capteurs de fin de course (116) du ou des pistons (102) du ou des vérins (101), est dirigé par la conduite (610) dans la colonne d'injection (604-602) pendant la descente du piston (601) de la pompe d'extraction (600). Le fluide injecté dans la colonne (604-602) repousse devant lui le piston libre (605) qui pousse à son tour le fluide de production emmagasiné dans l'espace qu'il a laissé libre en se retirant. Ce fluide de production bloqué par le clapet anti retour (607) se dirige par la colonne de production (608) jusqu'en surface. Le rôle du clapet anti retour (609) est d'empêcher le fluide de production d'envahir la capacité (606) pendant le cycle d'aspiration du piston (605).Le même scénario se produit avec une pompe a vessie,qui se dilate sous l'action du fluide injecté,et refoule le fluide du puits vers la colonne de production (608). Le fluide de puissance de la pompe à piston libre tourne en circuit fermé: de la centrale (figure n 7) à la colonne de tubing (602-604) et retour sur la centrale (figure n 7). Aucun contact n'a lieu entre ce fluide et celui qui actionne le ou les vérins de la centrale (figure n 3). REVEND I CATIONS 1 - Unité d'actionnement hydraulique de surface caractérisée: M par l'utilisation de un ou plusieurs vérins hydrauliques (101) disposés à côté ou autour de l'axe de la tête de puits, sur une plaque de base (107) ou sur une structure (figure n 4 - 5) pour transmettre un mouvement alternatif à la tringlerie de la pompe de fond par l'intermédiaire d'une ligne de traction disposée suivant le système doubleur de course et solidaire de cette tringlerie, sous l'action d'une centrale de puissance associée (figure n 3) qui comporte une pompe (301) à débit qui peut être fixe, actionnée par un moteur associé (302) laquelle refoule en permanence dans au moins un accumulateur oléopneumatique (303). Le ou les vérins (101) sont reliés à cet accumulateur oléopneumatique (303) par une conduite comportant une électro vanne (306) à plusieurs voies; La dite électro vanne commandant l'inversion du mouvement du ou des pistons (102) par l'intermédiaire du coffret de distribution (320) recevant les impulsions des capteurs de fin de course du ou des dits pistons et par le régulateur de temps (309). Le fluide de retour des pistons actionne un moteur hydraulique (304) qui entraîne une pompe (305) qui refoule aussi dans l'accumulateur oléopneumatique (303) récupérant une partie de l'énergie consommée à la montée du ou des dits pistons. * par l'utilisation dans le cadre du pompage tandem d'une centrale de puissance hydraulique annexe (figure n 7) associée à la centrale de puissance hydraulique de la figure n 3 et contrôlée à partir du même coffret de distribution (320) de la centrale de la figure n 3; la centrale de puissance hydraulique de la figure n 7 générant le mouvement descendant du piston libre (605),ou si c'est le cas d'une pompe a vessie,de l'augmentation du volume de celle-ci. 2 - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la revendication n l, caractérisée par le fait que le système doubleur de course est utilisé sur une unité d'actionnement hydraulique de surface. 3 - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon les revendications n 1 et n 2, caractérisée par le fait que la position des vérins (101)se trouve à côté ou autour de l'axe de la tête de puits. 4 - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la In revendication n 1, caractérisée par le fait que la modification de la vitesse de remontée et de descente des vérins(lOl),est le fait de la régulation du débit du fluide de puissance allant et retournant des vérins(101) par l'intermédiaire des régulateurs(307.307.1), les dites vitesses15 étant indépendantes l'une de l'autre. - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la revendication n 1, caractérisée par le fait que la variation de la longueur de la course des vérins est le fait de la régulation de la durée du débit de fluide de puissance par l'intermédiaire du régulateur de temps d'injection(309) 6 Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la revendication n 1, caractérisée par le fait que la pompe (301)refoule en permanence dans au moins un accumulateur eleopneumatique(303) et que la distribution du fluide de puissance est faite a partir du dit accumulateur. 7 - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la revendication n 1, caractérisée par le fait que la récupération d'énergie est obtenue en utilisant le retour du fluide de puissance lors de la descente des pistons(101) pour entrainer un moteur hydraulique(304) qui entraîne une pompe(305),laquelle refoule dans l'accumulateur oléopneumatique(303) 8 Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon la revendication n 1, caractérisée par le fait qu'elle actionne suivant l'assemblage(figures 6 et 7) une pompe de fond ]( 9 - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon les revendications n 1 et 8 caractérisée par le fait que l'assemblage Figure (8) résultant de l'accouplement de la pompe d'extraction de fond(601) par l'intermédiaire d'une colonne de tubes (602)avec le cylindre (606) dans lequel coulisse un piston libre (605), cylindre lui même contenu dans une capacité (603) ainsi que par la colonne de dite de production (608),peut être parallèle ou concentrique - Unité d'actionnement hydraulique de surface, selon les revendications n 1, 8,9 caractérisée par le fait que la pompe de fond(600) peut être a piston libre ou a vessie.