Brevet FR3016933A1 — publié le 20150731

La présente invention concerne les installations de pompage d'hydrocarbures. L'invention concerne plus particulièrement les installations de pompage d'hydrocarbures comportant une pompe, par exemple à cavité progressive, centrifuge ou à balancier, immergée dans un puits et entraînée par un moteur depuis la surface du puits via 5 une tige d'entraînement de la pompe, ce moteur étant relié à un variateur de fréquence alimenté en fonctionnement normal par un réseau externe. De telles pompes emmagasinent en fonctionnement normal une énergie potentielle sous deux formes, à savoir d'une part une énergie de torsion dans la tige d'entraînement de la pompe qui se vrille sur elle-même et d'autre part une énergie 10 hydrostatique correspondant à la colonne de fluide dans le puits. En cas de défaillance de l'alimentation électrique du moteur, notamment provenant d'une défaillance d'alimentation, cette énergie potentielle est susceptible d'entraîner brutalement la tige d'entraînement de la pompe en rotation inverse à haute vitesse (phénomène de « backspin ») et peut provoquer un emballement dont les 15 conséquences peuvent être dangereuses pour les personnes et le matériel. Il est alors nécessaire d'attendre que les niveaux de fluide se soient équilibrés dans les puits pour recommencer le pompage, d'où une perte importante de production. La demande FR 2891960 divulgue un système de commutation permettant, en cas de défaillance de réseau et dans une situation où l'arbre de sortie du moteur est entraîné 20 en rotation inverse, d'évacuer l'énergie électrique générée par le moteur vers une charge dissipative. Cette solution n'est utilisable que si le moteur électrique de la pompe est de type synchrone, ce qui n'est le cas que pour une très faible proportion de systèmes installés. Avec les moteurs asynchrones à induction, ce qui correspond à l'écrasante majorité des cas, la tension rémanente indispensable à un tel freinage dans une charge 25 passive disparait en quelques centaines de millisecondes. La demande US 2005/0281681 Al décrit un système dont le moteur est entraîné par un variateur, qui en cas de perte du réseau d'alimentation, récupère l'énergie cinétique et potentielle emmagasinée dans le moteur et la colonne de fluide pompée pendant le fonctionnement normal pour continuer de s'alimenter et de contrôler la vitesse 30 de la pompe à une faible valeur. Ce fonctionnement est problématique du fait du caractère aléatoire des conditions mêmes d'existence de cette énergie mécanique récupérable. Pour pouvoir récupérer de l'énergie des _ arties tournantes et continuer l'alimentation du variateur, certaines conditions mécaniques doivent être réunies: 11 faut notamment que cette énergie soit supérieure aux pertes de tout le système en aval du variateur (pompe, tube...). En fonction de l'état du puits et des conditions de fonctionnement, notamment la vitesse de rotation du moteur au moment de la disparition du réseau, ces conditions peuvent ne pas être réunies et la continuité du fonctionnement n'est donc pas assurée. Même quand les conditions mécaniques ci-dessus sont réunies, la continuité de fonctionnement nécessite le basculement très rapide d'un mode de fonctionnement normal où le variateur alimente le moteur de la pompe à un mode de fonctionnement où une partie de l'énergie est récupérée des parties mécaniques pour alimenter le variateur, le pompage n'étant plus assuré. Ce basculement ne réussit pas toujours vu sa complexité. Enfin, si la défaillance du réseau survient à un moment où cette énergie mécanique n'est pas récupérable, ou s'il y a défaillance dans cette opération de 15 récupération d'énergie mécanique, le phénomène d ackspin est susceptible de se produire. L'invention vise, entre autres, à proposer une solution assurant une plus grande disponibilité de fonctionnement des installations de pompage d'hydrocarbures en tendant à les immuniser contre les perturbations des réseaux électriques. L'invention diminue le 20 risque de backspin, et en améliorant la continuité de fonctionnement, permet de minimiser les pertes d'exploitation. L'invention a ainsi pour objet, selon un premier de ses aspects, une installation de pompage d'hydrocarbures, comportant une pompe immergée dans un puits et un moteur d'entraînement de la pompe, ce moteur étant relié à un variateur de fréquence alimenté en 25 fonctionnement normal par un réseau externe, le variateur comportant un redresseur alimentant un bus continu, un onduleur alimenté par le bus continu et relié au moteur, et un contrôleur, et l'installation se caractérise par le fait qu'elle comporte en outre un élément de stockage de l'électricité relié par un convertisseur DC-DC réversible au bus continu, l'installation étant agencée pour assurer l'alimentation du variateur de fréquence par 30 l'élément de stockage en cas de perturbation de l'alimentation via le réseau externe. Grâce à l'invention, on dispose d'une alimentation ininterrompue de la pompe, à un coût relativement faible, car le même variateur de fréquence sert à la fois en cas de fonctionnement normal du réseau, habituellement triphasé, et en cas de défaillance du réseau en prélevant l'énergie sur l'élément de stockage. De plus, l'invention permet d'éviter le recours à un UPS en amont du redresseur pour remplacer le réseau en cas de défaillance de ce dernier, ce dispositif étant particulièrement coûteux étant donné que 5 l'UPS doit être dimensionné pour délivrer toute la puissance du moto-variateur en continu, alors que l'élément de stockage d'énergie dans le cadre de l'invention n'est dimensionné que par rapport à l'autonomie souhaitée, pour des durées ne dépassant typiquement pas quelques minutes, d'où une optimisation du coût par rapport à la fonction. L'invention permet également un fonctionnement plus fiable de l'installation. 10 Par perturbation du réseau, on désigne par exemple une perte de réseau ou une instabilité de tension et/ou de phase du réseau. L'élément de stockage comporte, par exemple, au moins une batterie ou super-condensateur. Par « batterie », on désigne:-- ou plusieurs étages d'accumulateurs en série et/ou parallèle. 15 De préférence, le variateur présente des bornes d'accès au bus continu et un bus d'échange de données avec l'extérieur, notamment pour transmettre une information concernant l'état de l'alimentation réseau et l'échange de paramètres de fonctionnement de l'onduleur et/ou du moteur. De préférence, l'installation comporte un système de contrôle du convertisseur 20 DC-DC réversible, échangeant des données avec le variateur via le bus d'échange de données. L'invention permet une production optimale par élimination quasi-complète des nuisances dues aux pertes du réseau d'alimentation, car l'opération de pompage se poursuit à une vitesse optimisée en fonction de l'ensemble des informations disponibles 25 concernant l'état du réseau et de l'installation Le variateur peut comporter plusieurs consignes de vitesse déjà programmées dans une mémoire en son sein. En variante, ces consignes peuvent être contenues dans un élément extérieur, par exemple une carte clé USB ou carte mémoire de type SD, qui peut être reliée 30 directement ou indirectement au système de contrôle et/ou au bus d'échange de données variateur. Le variateur peut être agencé pour, en cas de perturbation du réseau externe, sélectionner une consigne de vitesse parmi celles déjà programmées. Ainsi, l'installation peut être configurée aisément pour suivre un fonctionnement prédéfini en cas d'interruption de l'alimentation réseau. La sélection peut s'effectue sur la base au moins d'une information transmise par le système de contrôle. Par exemple, l'information provenant du système de contrôle dépend de l'état de charge de l'élément de stockage. De préférence, en fonctionnement normal, le contrôleur calcule une limite de courant de charge du convertisseur DC-DC en fonction du courant de sortie de l'onduleur côté moteur pour éviter une surcharge du redresseur, ce dernier délivrant le courant pour le moteur et le courant de charge de l'élément de stockage, et communique cette limite au système de contrôle. En variante, le contrôleur peut transmettre au système de contrôle directement l'infoiniation concernant le niveau de charge du moteur, et le calcul de la limite de courant du convertisseur DC-DC peut être effectué par le système de contrôle, qui adapte par la suite le courant de charge de l'élément de stockage. De préférence, en cas de perturbation du réseau, le système de contrôle régule aux bornes du bus continu une valeur de tension évitant au variateur de se mettre en sécurité de sous-tension du bus continu. L'inverti° a aussi pour objet un module externe de sécurité pour une 20 installation de pompage d'hydrocarbures comportant une pompe immergée dans un puits, entrainée par un moteur électrique relié à variateur alimenté par le réseau externe, ce variateur comportant un bus continu entre un redresseur relié au réseau et un onduleur, et un contrôleur, le variateur comportant des bornes d'accès au bus continu et un bus d'échange de données avec l'extérieur, permettant la transmission d'informations relatives 25 à l'état du réseau externe et la réception d'une consigne de vitesse. Le module comporte un élément de stockage de l'énergie électrique, un convertisseur DC-DC réversible et système de contrôle du convertisseur, des bornes à relier au bus continu du variateur et un bus de communication avec le variateur pour connaître l'état du réseau et transmettre au variateur au moins une information utile pour sélectionner une consigne de vitesse en cas 30 de fonctionnement de secours lors d'une perturbation réseau et/ou pour informer le variateur de l'état de charge de l'élément de stockage. Le module peut s'ajouter en option à une installation existante ne l'ayant pas prévu initialement, dès lors que les bornes du bus continu du variateur sont accessibles et qu'il est pourvu d'une interface de communication avec un équipement externe, comportant un bus d'échange de données. Le module permet de réaliser une installation de pompage selon l'invention. L'invention a encore pour objet un procédé de gestion de l'alimentation d'un moteur électrique d'entraînement d'une pompe de pompage d'hydrocarbures, immergée dans un puits, appartenant à une installation selon l'invention, dans lequel en cas de perturbation du réseau externe, notamment d'interruption de celui-ci, le bus continu du 10 variateur est alimenté par l'élément de stockage via le convertisseur DC-DC, de façon à contrôler la rotation du moteur, notamment afin d'éviter la rotation inverse ou pour maintenir le pompage à une vitesse réduite, et en cas d'alimentation normale par le réseau, le même convertisseur DC-DC est utilisé pour recharger l'élément de stockage. De préférence, le système de contrôle est informé du niveau de charge du 15 moteur de façon à ne pas surcharger, en fonction de la puissance de la pompe, le redresseur débitant sur le bus continu en cas de fonctionnement normal du réseau. De préférence, le variateur est informé de l'état de charge de l'élément de stockage, en cas de perturbation du réseau et quand l'état de charge de l'élément de stockage est inférieur à un seuil donné, le moteur est amené à fonctionner en sens inverse 20 de façon à prélever de l'énergie mécanique. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue schématique d'un exemple d'installation selon 25 l'invention, et les figures 2a-2c sont des exemples de convertisseurs DC-DC réversibles. On a représenté de façon schématique à la figure 1 un puits W de pétrole dans le fond duquel est immergée une pompe P, de préférence une pompe à cavité progressive, entraînée par un moteur M depuis la surface, par l'intermédiaire d'une tige d'entraînement 30 T et d'un réducteur de vitesse R; notamment à engrenages. Une colonne de fluide d'un niveau dynamique est retenue dans le puits W par pompage. Un variateur de fréquence 2 comporte un redresseur 4, par exemple à diodes ou à transistors de puissance pour les variateurs dits Le module 9 comportant le convertisseur DC-DC 6 et l'élément de stockage 5 peut ne pas être un module externe au variateur 2. Ce module 9 peut, par exemple, faire partie intégrante du circuit électrique du variateur 2 dès la fabrication de ce dernier. Le moteur M peut fonctionner en générateur en cas de freinage de la pompe, notamment en cas de vidage du puits W. Dans ce cas, l'énergie fournie par le moteur M peut être récupérée par le variateur 2 et renvoyée vers le convertisseur 6 DC-DC pour recharger l'élément de stockage 5. Si l'exploitation du puits contient ce type de séquence, le système en profitera pour récupérer l'énergie pour charger l'élément de stockage au lieu de prélever l'énergie du réseau : le gain est l'économie d'énergie de charge. Le convertisseur DC-DC réversible 6 peut être réalisé de diverses façons. Le convertisseur 6 peut être un convertisseur mono-bras simple comme représenté sur la figure 3a. Le convertisseur comporte deux bus continus 12 et 13 comportant des condensateurs. Les bornes respectives 10 et 17 des bus continus 12 et 13 sont branchées respectivement aux bornes 19 et 30 de l'élément de stockage 5 et du bus continu 11. Les bus continus 12 et 13 sont reliés par pont comportant un bras 16 formé par deux interrupteurs électroniques 15, et une inductance de lissage 14 reliant le bras 16 à la borne + du condensateur 12. Les interrupteurs électriques 15 peuvent être de type IGBT, bipolaire, MOSFET, etc. En variante, le convertisseur 6 peut être triphasé comme sur la figure 3b, avec 30 les bus continus 12 et 13 reliés par un pont comportant trois bras 16 entrelacés, chaque bras 16 étant relié à la borne + du condensateur 12 par une inductance de lissage 14. De façon plus générale, comme illustré à la figure 3c, le convertisseur DC-DC 6 peut être à plusieurs bras 16 entrelacés, pour optimiser notamment la taille des inductances de lissage 14. Bien entendu, d'autres types de convertisseurs DC-DC réversibles assurant une 5 fonction de conversion réversible DC-DC peuvent être utilisés sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS1. Installation (1) de pompage d'hydrocarbures, comportant une pompe (P) immergée dans un puits (W) et un moteur (M) d'entraînement de la pompe (P), ce moteur (M) étant relié à un variateur (2) de fréquence alimenté en fonctionnement normal par un 5 réseau externe (A), le variateur (2) comportant un redresseur (4) alimentant un bus continu (11), un onduleur (3) alimenté par le bus continu (11) et relié au moteur (M), et un contrôleur (8), installation (1) caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un élément de stockage (5) de l'électricité relié par un convertisseur DC-DC réversible (6) au bus continu (11), l'installation (1) étant agencée pour assurer l'alimentation du variateur (2) de 10 fréquence par l'élément de stockage (5) en cas de perturbation de l'alimentation via le réseau externe (A). 2. Installation selon la revendication 1, le variateur (2) présentant des bornes d'accès (30) au bus continu (11) et un bus d'échange de données avec l'extérieur, notamment pour transmettre une information concernant l'état de l'alimentation réseau (A) 15 et l'échange de paramètres de fonctionnement de l'onduleur (3) et/ou du moteur (M), et l'installation comportant un système de contrôle (7) du convertisseur DC-DC réversible (6), échangeant des données avec le variateur (2) via le bus d'échange de données. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, l'élément de stockage (5) comportant au moins une batterie ou un super-condensateur. 20 4. Installation selon l'une des revendications 2 et 3, le variateur comportant plusieurs consignes de vitesse déjà programmées dans une mémoire en son sein. 5. Installation selon la revendication 4, le variateur (2) étant agencé pour, en cas de perturbation du réseau externe (A), sélectionner une consigne de vitesse parmi celles déjà programmées. 25 6. Installation selon la revendication 5, la sélection s'effectuant sur la base au moins d'une information transmise par le système de contrôle (7). 7. Installation selon la revendication précédente, l'information provenant du système de contrôle (7) dépendant de l'état de charge de l'élément de stockage (5) 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle, 30 en cas de perturbation du réseau (A), le système de contrôle (7) régule aux bornes du bus continu (11) une valeur de tension évitant au variateur (2) de se mettre en sécurité de sous-tension du bus continu (11). 9. Installation selon l'une quelconque des revendication précédentes 2 à 8, dans laquelle, en cas d'alimentation normale du réseau (A), le contrôleur (8) calcule iine limite de courant du convertisseur DC-DC (6) en fonction du courant de sortie de l'onduleur (3) côté moteur (M) pour éviter une surcharge du redresseur (4), ce dernier (4) délivrant le courant pour le moteur (M) et le courant de charge de l'élément de stockage (5), et communiquant cette limite au système de contrôle (7). 10. Module externe de sécurité (9) pour installation (1) de pompage d'hydrocarbures comportant une pompe (M) immergée dans un puits (W), notamment selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, entrainée par un moteur (M) électrique relié à un variateur (2) alimenté par le réseau externe (A), ce variateur (2) comportant un redresseur (4) alimentant un bus continu (11), un onduleur (3) alimenté par le bus continu (11) et relié au moteur (M), et un contrôleur (8), le variateur (2) comportant des bornes d'accès (30) au bus continu (11) et un bus d'échange de données avec l'extérieur, permettant la transmission d'informations relatives à l'état du réseau externe (A) et la réception d'une consigne de vitesse, le module (9) comportant un élément de stockage (5) de l'énergie électrique, un convertisseur DC-DC réversible (6) et un système de contrôle (7) du convertisseur (6), des bornes (10) à relier au bus continu (11) du variateur (2) et un bus de communication avec le variateur (2) pour connaître l'état du réseau (A) et transmettre au variateur (2) au moins une information utile pour sélectionner une consigne de vitesse en cas de fonctionnement de secours lors d'une perturbation du réseau (A) et/ou pour informer le variateur de l'état de charge de l'élément de stockage. 11. Procédé de gestion de l'alimentation d'un moteur (M) électrique d'entraînement d'une pompe (P) de pompage d'hydrocarbures, immergée dans un puits (W), appartenant à _ne installation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel en cas de perturbation du réseau externe (A), notamment d'interruption de celui-ci, le bus continu (11) du variateur (2) est alimenté par l'élément de stockage (5) via le convertisseur DC-DC réversible (6), de façon à contrôler la rotation du moteur (M), notamment afin d'éviter la rotation inverse ou pour maintenir le pompage à une vitesse réduite, et en cas d'alimentation normale par le réseau (A), le convertisseur (6) est utilisé pour recharger l'élément de stockage (5). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le système de contrôle (7) est informé du niveau de charge du moteur (M) de façon à ne pas surcharger, en fonctionde la puissance de la pompe (P), le redresseur (4) débitant sur le bus continu(11) en cas de fonctionnement normal du réseau (A). 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, dans le variateur (2) est informé de l'état de charge de l'élément de stockage (5), en cas de perturbation du réseau (A) et quand l'état de charge de l'élément de stockage (5) est inférieur à un seuil donné, le moteur (M) est amené à fonctionner en sens inverse de façon à prélever de l'énergie mécanique.