Brevet FR2812039A1 — publié le 20020125

La présente invention concerne un dispositif de pompage de liquide du type constitué d'une colonne d'exhaure ayant une20) extrémité dans le liquide à pomper, cette colonne étant traversée par au moins une tige animée d'un mouvement alternatif pour entraîner au moins un piston-guide, ainsi qu'un pistonguide pour un tel dispositif de pompage. Des dispositifs de pompage du type précité, dont la conception générale est connue de longue date, sont largement utilisés dans les pays africains. Au regard de l'état de la technique, il est possible de distinguer deux familles de dispositifs de pompage. La première famille concerne les dispositifs de pompage dans lesquels le corps de piston et le clapet de refoulement équipant le piston sont rendus solidaires de la35 tige ou du train de tiges. Un tel exemple de réalisation est notamment décrit dans le brevet FR-A-2.634.253. L'inconvénient majeur de tels dispositifs réside dans leur impossibilité à s'adapter à d'éventuels désalignements 2 entre axe de colonne d'exhaure et axe de tige, ces désalignements se produisant notamment lors d'une déformation de la colonne d'exhaure, généralement réalisée en matière de synthèse, ou lors d'une erreur dans le5 positionnement à la verticale de la colonne. Il en résulte une usure rapide de l'ensemble du dispositif. De plus, la présence d'un clapet de refoulement constitué d'une membrane souple déformable oblige à un renouvellement fréquent de cette dernière. 10 La seconde famille de dispositif de pompage concerne les dispositifs dans lesquels le clapet de refoulement, qui est solidaire du train de tiges, est mobile par rapport au corps du piston qui est flottant. Un exemple de réalisation15 d'un tel dispositif est notamment fourni dans le brevet d'invention OAPI (Organisation Africaine de la Propriété Industrielle) N 56.772. La conception d'un tel dispositif génère, lors du déplacement relatif des éléments l'un par rapport à l'autre, des frottements importants, en20 particulier entre le guide de tige et le corps de piston, provoquant à nouveau une usure rapide des éléments. De plus, la conception du clapet engendre les mêmes inconvénients que ceux précités pour la première famille de dispositifs.25 Un but de la présente invention est donc de proposer un dispositif de pompage dont la conception du piston permet une usure réduite des pièces constitutives et un rendement au pompage amélioré.3o) Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif de pompage dont la conception permet de garantir une étanchéité parfaite, y compris dans le cas o soit la colonne d'exhaure n'est pas parfaitement rectiligne, soit35 le forage n'est pas parfaitement vertical. Un autre but de la présente invention est de proposer un piston dont la conception permet de supprimer tout élément 3 déformable faisant office de clapet. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de pompage de liquide, du type constitué d'une colonne5 d'exhaure ayant une extrémité dans le liquide à pomper, cette colonne étant traversée par au moins une tige animée d'un mouvement alternatif pour entraîner au moins un piston-guide, caractérisé en ce que le piston-guide est formé d'un corps cylindrique creux, axialement traversant,1() ménageant entre sa paroi intérieure et la tige un passage coaxial, ce piston-guide comprenant, dans son alésage intérieur, une chambre possédant, à au moins une de ses extrémités ouvertes, une portée sphérique constituant un siège, de préférence d'étanchéité, pour une soupape à15 portée sphérique, cette soupape, déplaçable dans la chambre du corps de piston entre deux positions axiales de butée contre le corps de piston, étant solidarisée à la tige de piston de manière à obtenir, lors du fonctionnement de la pompe, un entraînement du corps de piston maintenu20) autocentré en permanence par rapport à la colonne d'exhaure par correction d'éventuels désalignements entre axe de colonne d'exhaure et axe de tige au moyen d'une oscillation relative entre soupape et corps de piston. La conception du dispositif de pompage permet un auto- centrage permanent entre corps de piston et colonne d'exhaure, auto-centrage qui améliore l'étanchéité du joint hydraulique entre corps de piston et colonne d'exhaure et, par suite, le rendement au pompage du dispositif.3() Une telle conception permet encore, grâce à la possibilité d'une orientation pluridirectionnelle de la soupape par rapport au corps de piston, une usure réduite du dispositif malgré l'utilisation d'une colonne d'exhaure en matière de35 synthèse non parfaitement rectiligne et/ou des erreurs de forage aboutissant à un forage formant un angle avec la verticale. 4 L'invention a encore pour objet un piston-guide pour dispositif de pompage de liquide, dispositif du type constitué d'une colonne d'exhaure ayant une extrémité dans le liquide à pomper, cette colonne étant traversée par au5 moins une tige animée d'un mouvement alternatif pour entraîner au moins le piston, caractérisé en ce qu'il est formé d'un corps cylindrique creux, axialement traversant, ménageant entre sa paroi intérieure et la tige un passage coaxial, ce piston-guide comprenant, dans son alésage10 intérieur, une chambre possédant à au moins une de ses extrémités ouvertes une portée sphérique constituant un siège, de préférence d'étanchéité, pour une soupape à portée sphérique, cette soupape, déplaçable dans la chambre du corps de piston entre deux positions axiales de butée15 contre le corps de piston, étant solidarisée à la tige de piston de manière à obtenir, lors du fonctionnement de la pompe, un entraînement du corps de piston maintenu autocentré en permanence par rapport à la colonne d'exhaure par correction d'éventuels désalignements entre axe de20 colonne d'exhaure et axe de tige au moyen d'une oscillation relative entre soupape et corps de piston. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, en25 référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente une vue partielle en coupe d'un dispositif de pompage de liquide conforme à l'invention lorsque la soupape entraîne le piston dans son mouvement ascendant; la figure 2 représente une vue de dessous du piston inférieur avec ses cannelures permettant le passage du liquide pompé dans son mouvement descendant et la figure 3 représente une vue partielle en coupe du dispositif de pompage de la figure 1 lorsque la soupape entraîne le piston dans son mouvement descendant. Comme mentionné ci-dessus, le dispositif de pompage, objet de l'invention, est constitué, de manière en soi connue,5 d'une tige 2, ou de préférence d'un train de tiges animé d'un mouvement de va-et-vient à l'intérieur d'une colonne 1 d'exhaure ou corps de pompe. Dans le cas d'un train de tiges, une pluralité de pistons sont positionnés, généralement de manière équidistante, le long du train de10 tiges. La colonne 1 d'exhaure est par exemple constituée d'un tube en matière de synthèse telle que du PVC ou analogue. Cette colonne d'exhaure présente une extrémité disposée dans le liquide à pomper dans un forage ou un puits jusqu'à la nappe aquifère. Cette extrémité, disposée15 dans le liquide à pomper, est fermée, de manière en soi connue, au moyen d'un clapet anti-retour, encore appelé clapet de pied, non représenté. Cette colonne peut être formée d'un seul élément tubulaire ou d'un assemblage d'éléments tubulaires.20 Le mouvement alternatif de la tige 2 ou du train de tiges est quant à lui obtenu par l'intermédiaire d'une superstructure, non représentée. Un exemple de réalisation d'une telle superstructure est par exemple fourni dans le25 brevet OAPI N 56.772. Cette superstructure, actionnée manuellement ou mécaniquement, permet un entraînement en va-et-vient de la tige 2 ou du train de tiges. La tige 2 ou le train de tiges, ainsi animé d'un mouvement alternatif, entraîne au moins un piston-guide, ou une pluralité de30 pistons-guides disposés, généralement de manière équidistante, le long de la tige ou du train de tiges. Une des caractéristiques de ce type de dispositif de pompage réside en effet dans la possibilité d'obtenir des débits importants en grandes profondeurs, la multiplicité des35 pistons assurant une pression constante par piston quelle que soit la profondeur. Le ou chaque piston-guide est donc formé d'un corps 5, 6 6 cylindrique creux, axialement traversant, ménageant entre sa paroi intérieure et la tige 2 un passage 11 coaxial à la tige, comme le montrent les figures. Le rôle de ce passage 11 coaxial sera décrit ci-après. Ce piston guide comprend encore, dans son alésage intérieur, une chambre 12. Dans les exemples représentés, cette chambre 12 est formée d'une seule pièce avec le corps de piston par simple élargissement de la section intérieure du corps de piston sur une longueur de piston prédéterminée, le diamètre extérieur du corps de piston étant quant à lui maintenu constant et étant de préférence choisi sensiblement inférieur au diamètre intérieur de la colonne 1 d'exhaure. Cette chambre 12, débouchant directement dans le passage 11 coaxial ménagé entre paroi intérieure du corps de piston et15 tige 2, possède, à au moins une de ses extrémités ouvertes, une portée 13 sphérique. Cette portée 13 constitue, dans les exemples représentés, un siège d'étanchéité pour une soupape 7 à portée 14 sphérique. Dans les exemples représentés, la chambre 12 possède, à chacune de ses extrémités ouvertes, une portée 13, 15 sphérique apte à constituer un siège pour la portée 14, 16 sphérique correspondante de la soupape 7 à au moins deux portées sphériques. Toutefois, seule la portée 13 sphérique25 dite supérieure de la chambre 12, apte à assurer l'étanchéité entre corps 5, 6 de piston et soupape 7, revêt une importance fondamentale pour la fonction de pompage du piston. Il est à noter qu'entre les deux portées 13, 15 sphériques, les parois de la chambre peuvent affecter une30 forme quelconque. Il en est de même en ce qui concerne le corps de la soupape 7 entre les portées 14, 16 sphériques. Dans les exemples représentés, la chambre 12 du corps 5, 6 de piston et la soupape 7 sont toutes deux d'allure générale sphérique. Les portées 13, 15 sphériques ménagées35 sur la paroi intérieure du corps de piston peuvent être formées d'une seule pièce avec ce dernier, comme cela est représenté aux figures, ou être constituées au moyen de pièces rapportées solidarisées au corps de piston. La soupape 7 est donc déplaçable dans la chambre 12 du corps 5, 6 de piston entre deux positions axiales de butée contre le corps de piston. Chaque piston de butée5 correspond à une position d'appui d'une portée 14 ou 16 sphérique de la soupape 7 contre une portée 13 ou 15 sphérique de la chambre 12. Cette soupape 7 est déplaçable par l'intermédiaire de la tige 2 de manoeuvre ou du train de tiges auquel elle est solidarisée de manière à obtenir,10 lors du fonctionnement de la pompe, un entraînement en va- et-vient du corps 5, 6 de piston. Dans les exemples représentés, la soupape 7 est solidarisée à la tige 2 de piston par deux tubes 4 entretoises enfilés sur la tige 2 de part et d'autre de la soupape 7 et immobilisés sur la tige par des moyens de serrage 3 appropriés, tels qu'un système écrou/contre-écrou. Dans les exemples représentés, on note que les tubes 4 entretoises font saillie du corps 5, 6 de piston, rendant ainsi20 accessibles en permanence les moyens de serrage de manière à faciliter le montage et le démontage de la soupape 7. La présence d'un passage 11 coaxial à la tige entre corps , 6 de piston et tige 2 et la réalisation de surfaces d'appui constituées par des portées sphériques entre corps , 6 de piston et soupape 7 permettent un déplacement relatif, et en particulier une oscillation relative, entre soupape 7 et corps 5, 6 de piston. La possibilité d'un tel déplacement permet de pallier d'éventuels désalignements30 entre l'axe de la colonne 1 d'exhaure et l'axe de la tige 2 de telle sorte que le corps de piston est maintenu auto- centré en permanence par rapport à la colonne 1 d'exhaure au cours de son entraînement en déplacement, y compris dans le cas d'une déformation importante de la colonne d'exhaure35 ou lorsqu'une colonne 1 d'exhaure est positionnée de manière telle dans un forage qu'elle présente une déviation par rapport à la verticale. En effet, en quelque sorte, la soupape peut osciller de manière relative à l'intérieur de 8 la chambre 12 du corps 5, 6 de piston monté flottant de telle sorte que le corps 5, 6 de piston et l'ensemble soupape 7/tige 2 peuvent prendre des orientations relatives différentes permettant le maintien en position centrée du5 corps 5, 6 de piston par rapport à la colonne 1, tout en garantissant une parfaite étanchéité de l'ensemble du fait de la conception des portées sphériques. Par ailleurs, grâce à la conception ci- dessus, la soupape 7 peut être constituée par une pièce rigide de telle sorte qu'elle ne10 comporte pas les inconvénients inhérents à une pièce élastiquement déformable. Le corps 5, 6 de piston, étant généralement formé d'une seule pièce avec au moins une portée 13 ou 15 sphérique et15 une partie de chambre 12, il est nécessaire de réaliser ce corps de piston en au moins deux parties pour permettre le logement de la soupape 7 à l'intérieur de la chambre 12 du corps 5, 6 de piston. Ce corps 5, 6 de piston présente donc un plan de joint situé de préférence dans la zone de plus20 grande dimension de la chambre 12 du corps de piston. Ces deux parties 5, 6 du corps de piston peuvent être assemblées par embrèvement. Grâce à cette conception en deux parties, le corps de piston peut être aisément modifié. En effet, le piston- guide peut, en fonction de la conception des deux parties du corps de piston, remplir soit uniquement la fonction de guide, soit à la fois la fonction de piston et de guide. Dans le cas o le piston est destiné à assurer à la fois la30 fonction de piston et de guide, au moins l'une des deux parties du corps 5, 6 de piston, en l'occurrence la partie 6 présentant une portée 15 sphérique constituant un siège non étanche pour la soupape 7, comporte, entre la chambre 12 et son extrémité distale, correspondant à l'extrémité orientée vers l'extrémité de la colonne 1 plongeant dans le liquide à pomper, des cannelures. Le détail de réalisation de ces cannelures est représenté à la figure 2, les parties pleines étant représentées en 9 et les vides en 10, la 9 référence 8 correspondant à la paroi du corps de piston de laquelle prennent naissance les cannelures. Ces cannelures forment des canaux axiaux débouchant dans la chambre 12 pour le passage de l'eau de refoulement dans la fonction de5 pompage du piston-guide lorsque la soupape 7 entraîne le piston dans son mouvement descendant. L'autre partie 5 du corps 5, 6 de piston est dans ce cas une partie pleine, de telle sorte que lorsque la soupape 7 est en appui sur la portée 13 sphérique, dite supérieure du corps de piston,1 cette portée 13 sphérique constitue un siège d'étanchéité pour la soupape 7. Le fonctionnement d'un tel dispositif de pompage est alors le suivant. Lorsque le train de tiges 2 monte, il entraîne15 avec lui les soupapes 7. Chaque soupape 7 vient alors en appui, par l'intermédiaire de sa portée sphérique 14 dite supérieure, contre la portée sphérique 13, dite supérieure, ménagée dans la chambre 12 du corps de piston. L'ensemble devient ainsi étanche et remonte un volume de liquide lors20 de la poursuite du mouvement ascendant du train de tiges 2. La dépression ainsi réalisée permet de faire ouvrir le clapet anti-retour disposé dans l'extrémité de la colonne plongeant dans le liquide à pomper, de sorte que l'eau entre dans le corps de pompe ou colonne 1. A l'inverse,25 lorsque le train de tiges descend, il entraîne avec lui la soupape 7 qui vient en appui, par l'intermédiaire de sa portée 16 sphérique inférieure, contre la portée 15 sphérique, dite inférieure, du corps de piston et entraîne ce dernier dans un mouvement descendant. L'eau, contenue30 dans la colonne d'exhaure passe par les canaux 10 axiaux débouchant dans la chambre 12 de chaque piston. Lorsque le piston-guide est utilisé simplement à titre de guide, il suffit de modifier et de remplacer l'une des35 parties du corps de piston, à savoir la partie 5 pleine, par une partie de corps de piston analogue à la partie 6 inférieure de manière à disposer, sur toute la hauteur du corps de piston, de canaux pour une libre circulation de l'eau. Dans cette configuration non représentée, les deux parties du corps de piston comportent au moins, de part et d'autre de la chambre du corps de piston, des canaux axiaux débouchant dans la chambre pour la libre circulation du5 liquide de part et d'autre de la soupape 7, indépendamment de la position relative entre corps de piston et soupape. On obtient ainsi un guidage auto-centré permanent du corps de piston par rapport à la colonne 1 d'exhaure. Il est ainsi impossible, dans un même dispositif de pompage, de10 disposer alternativement, le long du train de tiges 2, des pistons faisant à la fois office de piston et de guide et des pistons faisant uniquement office de guide. Le dispositif de pompage décrit ci-dessus peut être adapté à des superstructures diverses qui ne seront pas décrites plus en détail ciaprès car elles sont bien connues à ceux versés dans cet art. Un tel dispositif de pompage peut être installé dans un puits ou un forage à profondeur variable tout en obtenant un rendement maximal de la pompe. De tels forages peuvent parfois aller de quelques mètres jusqu'à plusieurs centaines de mètres pour permettre d'atteindre la zone aquifère. 25 Il REVENDICATIONS 1. Dispositif de pompage de liquide, du type constitué d'une colonne (1) d'exhaure ayant une extrémité dans le liquide à pomper, cette colonne (1) étant traversée par au moins une tige (2) animée d'un mouvement alternatif pour entraîner au moins un piston-guide, caractérisé en ce que le piston-guide est formé d'un corps (5, 6) cylindrique creux, axialement traversant, ménageant 1 entre sa paroi intérieure et la tige (2) un passage (11) coaxial, ce piston-guide comprenant, dans son alésage intérieur, une chambre (12) possédant, à au moins une de ses extrémités ouvertes, une portée (13) sphérique constituant un siège, de préférence d'étanchéité, pour une15 soupape (7) à portée (14) sphérique, cette soupape (7), déplaçable dans la chambre (12) du corps (5, 6) de piston entre deux positions axiales de butée contre le corps de piston, étant solidarisée à la tige (2) de piston de manière à obtenir, lors du fonctionnement de la pompe, un20 entraînement du corps (5, 6) de piston maintenu autocentré en permanence par rapport à la colonne (1) d'exhaure par correction d'éventuels désalignements entre axe de colonne (1) d'exhaure et axe de tige (2) au moyen d'une oscillation relative entre soupape (7) et corps (5, 6) de piston. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (12) possède, à chacune de ses extrémités ouvertes, une portée (13, 15) sphérique apte à constituer un siège pour la portée (14, 16) sphérique correspondante d'une soupape (7) à au moins deux portées sphériques. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre (12) du corps (5, 6) de piston et la soupape (7) sont d'allure générale sphérique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le corps (5, 6) de piston est 12 constitué d'au moins deux parties présentant un plan de joint situé de préférence dans la zone de plus grande dimension de la chambre (12) du corps de piston. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux parties du corps (5, 6) de piston sont assemblées par embrèvement. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'au moins l'une (6) des deux parties du corps (5, 6) de piston comporte, entre la chambre et son extrémité distale, des cannelures (10) formant des canaux axiaux débouchant dans la chambre (12) pour le passage de l'eau de refoulement dans la fonction de pompage du piston-15 guide lorsque la soupape (7) entraîne le piston dans son mouvement descendant. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les deux parties du corps de piston- 2( guide faisant exclusivement office de guide comportent au moins, de part et d'autre de la chambre (12), des canaux axiaux débouchant dans la chambre (12) pour la libre circulation du liquide de part et d'autre de la soupape (7) indépendamment de la position relative entre corps (5, 6)25 de piston et soupape (7). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la soupape (7) est solidarisée à la tige (2) de manoeuvre par deux tubes (4) entretoise enfilés30 sur la tige (2) de part et d'autre de la soupape (7) et immobilisés sur la tige (2) par des moyens de serrage (3, 4) appropriés. 9. Piston-guide pour dispositif de pompage de liquide, dispositif du type constitué d'une colonne (1) d'exhaure ayant une extrémité dans le liquide à pomper, cette colonne (1) étant traversée par au moins une tige (2) animée d'un mouvement alternatif pour entraîner au moins le piston, 13 caractérisé en ce qu'il est formé d'un corps (5, 6) cylindrique creux, axialement traversant, ménageant entre sa paroi intérieure et la tige (2) un passage (11) coaxial, ce piston guide comprenant, dans son alésage intérieur, une5 chambre (12) possédant à au moins une de ses extrémités ouvertes une portée (13) sphérique constituant un siège, de préférence d'étanchéité, pour une soupape (7) à portée (14) sphérique, cette soupape (7), déplaçable dans la chambre (12) du corps (5, 6) de piston entre deux positions axiales e10 de butée contre le corps de piston, étant solidarisée à la tige (2) de piston de manière à obtenir, lors du fonctionnement de la pompe, un entraînement du corps de piston maintenu autocentré en permanence par rapport à la colonne d'exhaure par correction d'éventuels désalignements15 entre axe de colonne (1) d'exhaure et axe de tige (2) au moyen d'une oscillation relative entre soupape (7) et corps (5, 6) de piston.