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La présente invention concerne un système de pompage d'un effluent produit par
une formation gêologique dans le fond d'un puits équipé d'une colonne
tubulaire. II
comporte une pompe volumétrique rotative adaptée à de grand débit de
production dudit
effluent.
Il est connu d'utiliser des pompes du type MOINEAU entraînée en rotation par
des
tiges, elles mêmes entraînées en rotation à partir d'une installation de
surface. Mais la vitesse
de rotation du rotor de la pompe est limitée notamment par la résistance
mécaniques des
tiges, les frottements dynamiques à l'intérieur du puits, ou le montage
mécanique du rotor
dans la stator de la pompe. En effet, concernant cette dernière limitation, la
nature des
effluents dans lesquels est placée la pompe, la pression et la température qui
règnent au fond
d'un puits, compliquent considérablement l'utilisation de moyens plus
performants pour le
montage du rotor dans le stator. Il est connu que de tels moyens de montage
nécessitent au
moins une lubrification des pièces mécaniques en mouvement. Dans les
conditions décrites
plus haut, il faudrait donc des montages étanches et résistant à la
température pour préserver
le fluide lubrifiant les moyens mécaniques, d'une pollution par l'effluent
produit.
La présente invention fournit une solution à ce probl8me technique en
permettant
l'injection, à partir de la surface, d'un fluide lubrifiant circulant à
travers les moyens de
montage mécanique du rotor.
De plus, selon une variante de la présente invention, il est également
possible
d'ajouter à ces moyens de montage un mécanisme multiplicateur de vitesse de la
rotation du
rotor, par rapport à la vitesse de rotation des tiges. Ainsi, on peut obtenir
un plus grand
débit de pompage avec une vitesse raisonnable pour la rotation des tiges. Il
est rappelé que le
débit faurni par une pompe volumétrique rotative est sensiblement
proportionnel à la vitesse
de rotation du rotor.
Dans une autre variante, en partïculier lorsque l'effluent à produire est un
fluide
visqueux, la présente invention peut permettre une amélioration du rendement
du pompage
en fluidifiant l'effluent en le mélangeant au fluide injecté pour lubrifier
les moyens
mécaniques de montage.
La présente invention concerne donc un système de pompage d'un effluent
produit
par une formation géologique dans le fond d'un puits. Le système comporte une
pompe
CA 02108315 2003-10-17
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placée dans le puits et des tiges reliant la pompe à la surface. La pompe
comprend au moins
un stator et un rotor. Les tiges mises en rotation par des moyens de surface
entraînent en
rotation le rotor pour pomper l'effluent et refouler celui-ci vers la surface
par un conduit
annulaire extérieur aux tiges.
La pompe comporte des moyens mécaniques de maintien du rotor dans le stator et
de transmission de la rotation des tiges au rotor. Les tiges sont adaptées à
permettre
l'injection à partir de la surface, d'un fluide de circulation traversant les
moyens
mécaniques.
Le fluide es t adapté à assurer une lubrification et éventuellement un
refroidissement desdits moyens mécaniques.
Les moyens mécaniques peuvent comporter des paliers de guidage du rotor par
rapport au stator.
Les moyens mécaniques peuvent comporter au moins un joint flexible entre les
tiges et le rotor, par exemple du type joint universel.
Les moyens mécaniques peuvent comporter un multiplicateur de vitesse adapté à
permettre l'entraînement en rotation dudit rotor à une vitesse supérieure à la
vitesse de
rotation des tiges.
Le stator de la pompe peut coopérer avec des moyens d'étanchéité liés à une
colonne de tubes à l'intérieur de laquelle se trouve la pompe. L'aspiration et
le refoulement
de la pompe peuvent se trouver de part et d'autre des moyens d'étanchéité et
l'effluent
2 0 refoulé peut remonter vers la surface par l'espace annulaire défini par
l'extêrieur des tiges et
l'intérieur de ladite colonne.
Le fluide injecté par les tiges peut être adapté à fluidifier l'effluent
refoulé par la
pompe, par exemple du kérosène ou du gasoil.
Le fluide peut se mëlanger avec ledit effluent dans le voisinage des orifices
de
refoulement de la pompe.
D'autres caractéristiques et avantages du système selon l'invention
apparaîtront
mieux à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits
à titre d'exemples
non limitatifs, en se référant aux dessins annexés où
- la figure 1 représente schématiquement un système de pompage selon
3 0 l'invention,
- la figure 2 représente une pompe volumétrique équipée de moyens mécaniques,
- la figure 3 représente- une variante du système de pompage comprenant un
multiplicateur de vitesse,
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3
- la figure 4 illustre les moyens de surface permettant l'entraînement en
rotation de
tiges, l'injection du fluide lubrifiant et le retour de la production,
- la figure 5 montre une réalisation d'une coulisse destinée à être intégrée
aux tiges.
Sur la figure 1, un puits 1 atteint une formation géologique productrice d'un
effluent contenant des hydrocarbures. La pression régnant dans la formation
est trop faible
pour que l'effluent puisse remonter jusqu'en surface. La formation productrice
est dite non
éruptive. Le schéma de production nécessite donc la mise en oeuvre d'un
système de
pompage de l'effluent.
Par effluent, il faut comprendre l'ensemble des fluides présents dans le puits
1.
Dans le cas où l'hydrocarbure, contenu dans ladite formation, est visqueux, on
peut injecter
de la vapeur d'eau, ou autres fluides, pour fluidifier l'hydrocarbure afin de
favoriser son
écoulement. Dans ce cas, l'effluent comporte une quantité d'eau ou de vapeur
d'eau assez
importante, relativement au volume d'hydrocarbure. Ce grand volume d'effluent
impose une
capacité de pompage supérieure à celle qui serait nécessaire pour traiter le
volume de
l'hydrocarbure seul.
Le puits 1 est équipé d'une de colonne tubulaire 2, dont l'extrémité
inférieure
plonge dans l'effluent. L'espace annulaire, défini entre le puits 1 et
l'extêrieur de la colonne
2, peut être obturé ou non par un système d'étanchéité du type packer. La
colonne 2, en
général dénommée "colonne de production", a pour rôle principal de canaliser
la production
du fond vers la surface du sol par le moyen de son conduit intérieur.
Un système de pompage 3 est positionné dans la colonne 2 par lé moyen d'un
siège
4. Le siège 4 a au moins pour fonction de fixer longitudinalement et en
rotation le stator de
la pompe 6, d'effectuer une étanchéité entre le corps de la pompe 6 et la
colonne 2. Une
ouverture S permet l'admission de l'effluent dans la pompe 6.
Une ouverture 7 permet la sortie de l'effluent refoulé dans l'intérieur 8 de
la
colonne 2. Les flèches 9, 10 et l l'indiquent le trajet de l'effluent.
Le système de pompage comporte des moyens mécaniques 13 qui seront détaillés
plus loin dans la présente description à (aide des figures 2 et 3.
Une garniture de tiges 12 est liée aux moyens mécaniques 13 par son extrémité
inférieure, l'extrémité supérieure située à la surface coopère avec des moyens
14 qui sont
détaillés sur la figure 4.
Le système de pompage 3 est mis en place sur le siège 4 par l'assemblage de la
garniture de tiges 12 dans l'espace intérieur 8 de la colonne 2, de préférence
après que celle
ci ait déjà été assemblée. La remontée du système s'effectuant par une
opération inverse.
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4
Les tiges 12 sont creuses pour permettre l'injection d'un fluide suivant le
trajet des
flèches 15.
L'entraînement en rotation de la garniture des tiges 12 provoque la rotation
du rotor
(non représenté sur cette figure) de la pompe 6 grâce à la coopération des
moyens
mécaniques 13. Ces moyens mécaniques sont traversés par le fluide injecté par
les tiges 12.
La figure 2 montre un mode de réalisation de la pompe du système de pompage
selon l'invention. La colonne 2 comporte un réceptacle ou siège 4 vissé au-
dessus d'un
dispositif d'admission 16 de l'effluent, le dispositif 16 pouvant être un
séparateur statique
liquide/gaz, par exemple celui décrit dans le brevet FR-2656652. Dans le cas
de présence de
gaz libre dans l'effluent, l'espace annulaire entre la colonne 2 et le puits 1
est utilisé pour
canaliser le gaz jusqu'en surface.
Sur l'extrémité du corps 17 (stator) de la pompe, est fixé une pièce 18
complémentaire au siège 4. La coopération de la pièce 18 et du siège 4
- fixe en rotation le corps 17 (stator) par rapport à la colonne 2,
- fixe longitudinalement la pompe dans la colonne 2 (un moyen de verrouillage
réversible peut être adjoint),
- isole l'espace annulaire 8 de l'effluent à l'admission par les moyens
d'étanchéité
27.
Le corps du stator 17 de la pompe comporte à sa partie supérieure des moyens
mécaniques 13 réalisant au moins les fonctions suivantes
- guidage en rotation et fixation longitudinale par des paliers 22,
- transmission de la rotation des tiges 12 au rotor 20 par des accouplements
24 et
25,
- liaison flexible 21, par exemple un joint universel type cardan, lorsque le
rotor du
type de pompe utilisée est animé en plus de la rotation d'un déplacement
radial de nutation.
Le corps du stator 17 de la pompe comporte, sensiblement à sa partie
supérieure,
des orifices 23 d'évacuation de l'effluent refoulé par la pompe. Ces orifices
23
communiquent avec (espace annulaire 8.
Le canal intérieur 26 des~tiges 12 communique avec les orifices d'évacuation
23 par
l'intermédiaire d'un canal 19 débouchant en 50 au niveau des paliers
mécaniques 22. Ceux
ci ne sont pas étanches permettant ainsi la circulation du fluide injecté par
les tiges 12 à
travers les paliers 22 constitués préférentiellement de roulement à billes ou
à galets,
effectuant ainsi une lubrification et/ou un refroidissement des pièces en
mouvement par
barbotage. Le fluide injecté par le canal 19 s'écoule jusqu'aux orifices 23 où
il se mélange
avec (effluent refoulé par la pompe avant de sortir par les orifices 23 vers
l'espace annulaire
8.
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Le fluide injecté est choisi pour que son pouvoir lubrifiant soit suffisant
pour
assurer une longévité acceptable des moyens mécaniques 19. Par pouvoir
lubrifiant, il faut
comprendre ici, 1a capacité de ce fluide à diminuer de façon sensible les
frottements
mécaniques provoqués par les mouvements dynamiques. En effet, on pourra
injecter par
5 exemple du kérosène, du gas-oil, une émulsion contenant des huiles brutes ou
de l'eau
contenant certains additifs. Avantageusement, la circulation du fluide dans
les moyens
mécaniques permet de contrôler le refroidissement des moyens mécaniques.
Le type de pompe peut être de tout type volumétrique rotative. De préférence,
et
compte tenu du domaine industriel concerné, la pompe est du type MOINEAU.
Le fluide injecté par les tiges 12 est mélangé avec l'effluent refoulé par la
pompe,
au voisinage en amont des orifices 23.
La figure 3 illustre une variante selon l'invention, où il est intercalé entre
l'accouplement 24 et les paliers 22, un multiplicateur de vitesse 28.
La conception de ce multiplicateur de vitesse étant à la portée d'un homme de
l'art
connaissant la mécanique, elle ne sera pas détaillée dans la présente
description. Le
coefficient multiplicateur est préférentiellement compris entre 1 et 5.
De même que les paliers ~22, le multiplicateur de vitesse 28 est traversé par
le fluide
injecté par les tiges 12.
La figure 4 montre l'installation de surface 14 du système selon l'invention.
L'extrémité supérieure de la colonne 2 comporte une sortie latérale 29
permettant 1a collecte
de l'effluent pompé par ledit système.
Une tête d'injection rotative 30 est vissée sur l'extrémité de la colonne 2.
La tête
d'injection 30 comprend une partie mobile en rotation 31 sur laquelle est
assemblée la tige
12 supérieure. Des butées de roulements équipent le montage mécanique de la
partie 31 dans
le corps de la tête 30. La partie mobile 31 possède un conduit mettant en
communication
l'intérieur des tiges 12 avec la sortie latérale 29.
Un arbre 33, fixé sur le sommet de la partie mobile 31, peut être entraîné en
rotation par tout moyen connu et conventionnellement utilisé sur les chantiers
d'exploitation
des puits.
La figure 5 illustre une coulisse d'adaptation de la longueur de la garniture
de tiges
12. En effet, les conditions de fond peuvent faire varier la longueur de la
garniture de tiges
entre la pompe et l'installation de surface. La garniture étant en rotation
pour actionner le
pompage, il est recommandé que les tiges ne subissent pas de flambage. Il faut
donc
incorporer à la garniture de tiges un ou plusieurs éléments télescopiques
permettant
l'allongement de la garniture, ou son raccourcissement, et cela sans
développer des
contraintes axiales importantes.
~~.~83~.
s
Pour cela, la coulisse est intercalée entre deux tiges 12 par les raccords 35
et 34. La
coulisse en exemple comporte un corps 42 sur lequel est assemblé de façon
solidaire un
arbre 41. Des rainures longitudinales 38 sont usinées dans l'alésage intérieur
du corps 42.
Un arbre 40 comportant des clavettes 39 est monté dans le corps 42. Les
clavettes 39 et les
rainures 38 ont des formes complémentaires pour que l'arbre 40 puisse
coulisser
longitudinalement dans le corps 42 sur toute la course H. La coulisse permet
ainsi la
transmission de la rotation tout en laissant un jeu axial correspondant à la
longueur H. Des
moyens d'étanchéité 37 empêchent la communication entre l'espace intérieur et
(extérieur de
la coulisse.
L'invention ne se limite pas à une coulisse de ce type.
Dans le cas où l'effluent a une viscosité relativement importante, les pertes
de
charge dans l'espace annulaire 8 peuvent perturber le rendement de pompage.
Dans le cadre
de la présente invention, on peut minimiser l'inconvénient précité en
utilisant pour fluide
lubrifiant injecté par les tiges 12, un fluide également apte à fluidifier
l'effluent. Ainsi, un
effluent visqueux et/ou de forte masse volumique créera moins de perte de
charge dans le
conduit de production si sa viscosité et/ou sa masse volumique sont diminuées
par le
mélange avec le fluide injecté par les tiges.
