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CA 02311175 2000-06-06
POMPE A CAVITES PROGRESSANTES A STATOR COMPOSITE ET SON
PROCEDE DE FABRICATION
L'invention concerne une pompe à cavités progressantes de type Moineau ,
comportant un stator formé d'au moins deux parties. Une première partie est
constituée d'un
matériau peu élastique, permettant notamment de conserver les propriétés d'une
deuxième
partie. La deuxième partie est adaptée pour assurer une contrainte suffisante
de la première
partie sur le rotor et obtenir un gain de pression requis pour l'opération de
pompage.
L'invention s'applique notamment pour le pompage de tous types d'hydrocarbures
ou
de produits agressifs.
Les pompes à cavités progressantes, ou pompes de type Moineau, sont bien
connues et leur fonctionnement a été largement décrit dans l'art antérieur. La
pompe
comporte un engrenage intérieur ou rotor, et un engrenage extérieur ou stator.
Chaque
engrenage possède un axe longitudinal, les deux axes étant parallèles et
distants l'un de
l'autre. Le stator possède une dent de plus que le rotor, ce dernier est tel
que ses dents sont
constamment en contact avec le stator. Le rapport des pas d'hélice du rotor et
du stator, est
proportionnel au rapport du nombre des dents des deux engrenages
correspondant.
L'enroulement hélicoïdal des dents de l'engrenage autour de leur axe de
rotation crée, entre
les deux engrenages, un volume dont la longueur est égale au pas de
l'engrenage extérieur.
A condition que les hélices des engrenages extérieur et intérieur fassent plus
d'un tour, cette
disposition d'engrenage et leur mouvement respectif forment des cavités
fermées. La pompe
ainsi créée permet d'évacuer un volume de fluide sous pression et sans clapet
anti-retour.
Pour obtenir des hauteurs de pompe satisfaisantes, les cavités formées entre
le rotor
et le stator doivent être fermées avec un certain degré d'étanchéité.
L'étanchéité est
notamment assurée par un jeu négatif entre le diamètre de la section du rotor
et la dimension
des dents du stator. Le maintien de ce jeu négatif est assuré par une certaine
élasticité du
rotor et/ou du stator. Afin d'éviter une perte de rendement due notamment au
frottement
mécanique entre le stator et le rotor lors de leur mouvement de rotation, il
est connu d'utiliser
un stator constitué d'un élastomère et un rotor constitué d'un métal.
Les pompes de type Moineau sont bien adaptées pour le pompage dans le fond des
puits ou en surface de certains effluents pétroliers, en particulier les bruts
visqueux.
Toutefois, la composition des bruts dits légers entraîne une dégradation
chimique des
élastomères, conduisant à des interventions au niveau du stator et donc à une
augmentation
des coûts de maintenance et par conséquent de production. Pour des effluents
ayant des
températures supérieures à 140 C, l'élastomère subit une dégradation
thermique. Une telle
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dégradation peut aussi exister lors du pompage de fluide ayant une valeur de
rapport
gaz/liquide élevé, du fait de l'échauffement du gaz par compression.
Les températures élevées, ou l'élévation de température en cours de
fonctionnement, peuvent aussi être la cause de problèmes d'adhérence de
l'élastomère sur
le corps métallique de la pompe et provoquer un décollement de la partie
élastomérique du
stator du corps de la pompe.
Par conséquent, le pompage de bruts ayant des températures élevées, par grande
profondeur ou dans des puits stimulés par de la chaleur par exemple, ainsi que
le pompage
d'effluents présentant de fort taux de gaz, en condition de surface par
exemple, n'est pas
toujours accessible aux pompes Moineau.
L'objet de la présente invention est une amélioration d'une pompe de type
Moineau . Le stator est un élément composite . Le mot composite est
utilisé dans
la présente description pour désigner la structure en au moins deux parties du
stator. Une
première partie du stator est réalisée en un matériau peu élastique, tel qu'un
métal, et une
deuxième partie, en contact avec le corps de pompe, est choisie pour obtenir
et conserver
une contrainte de la première partie sur le rotor de façon à générer le gain
de pression
souhaité.
L'invention concerne une pompe à cavités progressantes destinée à communiquer
de l'énergie à un fluide, ladite pompe comportant au moins un carter, un
stator et un rotor
métallique, ledit rotor étant disposé à l'intérieur dudit stator.
Elle est caractérisée en ce que le stator est constitué d'au moins deux
parties, une première partie constituée en un matériau peu élastique et une
deuxième partie disposée entre la paroi interne du carter et la première
partie,
ladite première partie étant en contact avec le rotor, ladite deuxième partie
étant
adaptée pour appliquer et/ ou conserver une contrainte Q de la première partie
sur le rotor afin d'obtenir le gain en pression requis pour le fluide pompé.
La première partie peut être constituée d'un matériau permettant de préserver
les
propriétés de la deuxième partie_
La première partie est par exemple constituée d'un métal.
La deuxième partie peut être constituée d'un élastomère.
La deuxième partie est par exemple constituée d'un réseau métallique noyé dans
une matrice d'élastomère.
La deuxième partie est par exemple constituée, en totalité ou en partie, par
un fluide
ayant une valeur de pression suffisante pour appliquer une contrainte requise
de la première
partie sur le rotor.
Le fluide sous pression peut être une partie du fluide pompé.
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L'inventiôn concerne aussi un procédé de fabrication d'un stator constitué
d'au moins
une première partie en contact avec un rotor et d'une deuxième partie, et
destiné à être
utilisé dans une pompe à cavités progressantes.
Le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes
:
1) on dispose un mandrin ayant une forme choisie en fonction de la première
partie du
stator, à l'intérieur d'un élément en matériau métallique, l'ensemble étant
lui même
disposé dans une enveloppe pourvue d'un ou de plusieurs orifices,
2) on applique sur l'élément une pression suffisante pour mettre en forme
l'élément, afin qu'il
épouse la forme du mandrin, pour former ladite première partie, et
3) on retire le mandrin.
Au cours de l'étape 2) on peut introduire un fluide sous pression entre
l'enveloppe et
l'élément.
On injecte par exemple dans l'espace formé par l'enveloppe et la paroi externe
de
l'élément un matériau polymérisable et on soumet l'ensemble à une étape de
polymérisation,
de manière à former la deuxième partie du stator.
On injecte par exemple un matériau adhésif avant d'injecter le matériau
polymérisable.
On positionne par exemple entre l'enveloppe et l'élément des moyens permettant
de
dissiper la chaleur, avant d'injecter le matériau polymérisable et/ou de
centrer la partie par
rapport au carter.
La pompe et le procédé selon l'invention sont appliqués au pompage d'un
effluent
pétrolier ou au pompage de fluides agressifs.
Le dispositif de pompage selon l'invention présente notamment comme avantage
d'élargir le domaine de pompage à une gamme d'hydrocarbures plus importante et
d'augmenter la durée de vie de l'équipement.
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon
l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après de modes de
réalisation décrits
à titres d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures annexées où :
= la figure 1 représente la structure générale d'une pompe Moineau selon l'art
antérieur,
= la figure 2 représente une section de la pompe dans un plan perpendiculaire
à son axe,
= la figure 3 schématise une coupe de la pompe selon l'invention,
= la figure 4 représente une variante de réalisation où le stator comporte un
réseau
métallique inséré dans une matrice d'élastomère,
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= les figures 5 et 6 représentent une pompe et un détail de la pompe selon
l'invention,
utilisant une partie du fluide pompé pour le stator,
= les figures 7 et 8 schématisent deux variantes de réalisation de la pompe
mentionnée à la
figure 5, et
= les figures 9 à 11 schématisent un exemple d'étapes de fabrication.
La figure 1 représente un arrangement général et connu d'une pompe de type
Moineau . La pompe comporte un corps ou carter 1, généralement en métal, dans
lequel
circule l'effluent à pomper. A l'intérieur de ce corps de pompe, on trouve
notamment les
éléments suivants :
= un stator 2 en contact avec la paroi interne la du carter,
= un rotor 3 généralement métallique, disposé à l'intérieur du stator,
= la forme du stator et la forme du rotor, ainsi que leurs dimensions, sont
telles que la
rotation du rotor dans le stator génère des cavités 4 fermées, se déplaçant le
long du
rotor. Ce mouvement permet d'assurer la fonction pompage,
= un élément 5 de liaison du rotor avec un dispositif 6 d'entraînement en
rotation, disposé à
l'extérieur du carter par exemple, assure le mouvement de rotation.
L'élément 5 est choisi pour compenser la différence de nature de mouvement
entre
le dispositif 6 d'entraînement en rotation et le mouvement hépicycloïdal du
rotor 3. Cet
élément peut être un dispositif flexible ou encore un cardan.
Le carter 1 est pourvu d'au moins un orifice 7 d'introduction du fluide à
pomper,
auquel on souhaite apporter une certaine quantité d'énergie, et un passage ou
orifice 8
d'évacuation du fluide ayant acquis de l'énergie.
La présente invention est une amélioration des pompes de type Moineau existant
dans l'art antérieur.
La figure 2 schématise un arrangement spécifique de la pompe selon
l'invention,
notamment la structure de son stator.
Le stator 2 est constitué, par exemple, de deux parties référencées 2a
(première
partie) et 2b (deuxième partie). La première partie 2a est par exemple
constituée d'un
matériau peu élastique et a notamment pour fonction de préserver les qualités
de la
deuxième partie 2b en contact avec la paroi interne la du carter. La partie 2b
est adaptée
pour obtenir et préserver dans le temps, et en cours de fonctionnement, une
contrainte de la
partie 2a sur le rotor afin d'entretenir le jeu négatif existant entre le
stator et le rotor, ce jeu
étant nécessaire pour générer le gain de pression pour le fluide à pomper.
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La partie 2b peut être réalisée de diverses manières dont certaines sont
détaillées ci-
après, à titre illustratif et nullement limitatif. Cette partie 2b peut être
réalisée en un matériau
élastique tel qu'un élastomère ou un fluide compressible ou non compressible.
5 La figure 3 représente une variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple un alliage de
cuivre,
et
= la partie 2b du stator est constituée d'un élastomère.
Le rotor 3 est constitué par exemple d'un métal recouvert d'un chromage ou
d'un
métal chromé.
Un tel agencement permet de diminuer, voire éliminer, la dégradation chimique
du
stator et de préserver la contrainte exercée par la partie 2a au niveau du
rotor et qui est
nécessaire au gain de pression requis lors de l'opération de pompage.
La figure 4 représente une autre variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple un alliage de
cuivre,
et
= la partie 2b est constituée d'un réseau 10 métallique et d'un élastomère 11.
Le
réseau métallique est par exemple noyé dans la matrice en élastomère. Le
réseau métallique 10 permet notamment de dissiper la chaleur s'accumulant dans
la matrice 11, vers la paroi du carter 1. Il a aussi pour fonction de centrer
la partie
2a du stator par rapport au carter 1.
Un tel agencement permet avantageusement d'éviter la dégradation thermique et
chimique des éléments constituant la pompe. L'augmentation de la température
dans la
pompe provient par exemple de la température de l'effluent pompé ou encore du
taux de gaz
présent dans le fluide.
Il offre aussi l'avantage de conserver un centrage de la partie 2a pour des
modes de
fabrication de la pompe comportant une étape d'injection de l'élastomère.
Le rotor 3 est par exemple en métal chromé.
Les figures 5 et 6 représentent une variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple d'un alliage
de
cuivre, et
= la partie 2b est constituée par exemple d'un fluide. Ce fluide assure la
contrainte
nécessaire exercée sur la partie 2a pour maintenir l'étanchéité entre le rotor
et le
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stator et le gain de pression requis pour le fluide à pomper. Tout fluide
compressible ou non permettant d'obtenir ce résultat peut être utilisé.
Dans cet exemple de réalisation, le fluide est par exemple une partie du
fluide
pompé.
La figure 5 schématise un exemple d'installation d'une pompe selon l'invention
dans
un puits de production .
La pompe est installée à l'extrémité d'une colonne de production 20 et est en
contact
avec le fluide du gisement 21, un hydrocarbure par exemple. Le fluide à pomper
est introduit
dans la pompe par l'orifice d'introduction 23, circule à travers cette
dernière en acquérant
une certaine valeur d'énergie, avant d'être évacué par l'orifice d'évacuation
24 et remonter
jusqu'à la surface à travers l'espace annulaire 25 formé par la colonne de
production 20 et la
tige d'entraînement 5.
Au démarrage de l'opération de pompage, le fluide pompé remplit l'espace 13
compris entre le corps de pompe et la partie 2a du stator jusqu'à remplir en
totalité l'espace
(figure 6). Ce fluide est à une pression sensiblement identique à la pression
de refoulement
Pr de la pompe. Cette valeur de pression est suffisante pour appliquer et
maintenir une
contrainte de la partie 2a sur le rotor de façon à entretenir le jeu négatif
et à générer le gain
de pression nécessaire dans les cavités.
La figure 6 montre un détail du stator de la pompe décrite à la figure 5.
.La partie 2a comporte au moins un orifice 12 d'introduction du fluide pompé
dans
l'espace 13.
La partie 2a peut être constituée d'une tôle ayant une épaisseur variable sur
sa
longueur. La façon dont varie cette épaisseur est choisie en tenant compte de
la variation de
contrainte existant le long du stator. Cette variation de contrainte est
notamment fonction de
la différence de pression existante entre l'espace 13 et les cavités 4 située
entre la partie 2a
et le rotor 3.
Avec ce mode de réalisation, l'utilisation du fluide pompé pour générer la
contrainte
nécessaire précitée, permet d'adapter cette valeur de contrainte
automatiquement et ceci en
cours de fonctionnement de la pompe.
En effet, la contrainte exercée par le fluide présent dans l'espace 13, est
sensiblement égale à la pression Pr de refoulement de la pompe. La contrainte
exercée sur
le rotor est dès lors adaptée au besoin de la pompe pour créer le gain de
pression dans les
cavités 4.
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Les performances de la pompe sont ainsi conservées dans le temps, et l'usure
ou la
dégradation chimique et thermique des éléments formànt la pompe notamment le
stator sont
réduites.
Le jeu négatif, ainsi que l'étanchéité sont ainsi préservés au fil de
l'érosion de la
partie 2a en contact avec le rotor.
Selon une autre variante de réalisation, le fluide présent dans l'espace 13
est isolé
du fluide pompé. La valeur de pression de ce fluide est notamment fonction de
la valeur de la
pression de refoulement de la pompe, et contrôlée, par exemple, par un
équipement
extérieur tel que celui décrit aux figures 7 et 8.
La figure 7 décrit un premier mode de réalisation où le fluide remplissant
l'espace 13,
provient d'une source extérieure 14 en liaison avec cet espace, au moyen d'un
conduit 15
aboutissant à un orifice 16 au niveau du carter 1 de la pompe. Le conduit 15
peut être équipé
de moyens appropriés et connus de l'Homme du métier, tels qu'une vanne de
contrôle de
débit ainsi que des moyens de mise en pression du fluide provenant de la
source auxiliaire.
La valeur de la pression est ajustée de façon à optimiser la contrainte de la
partie 2a
du stator sur le rotor, pour atteindre le gain de pression requis, tout en
limitant l'effort de
friction entre la partie 2a du stator et le rotor.
La figure 8 schématise un autre mode de réalisation dans lequel, la source 14
comportant le fluide auxiliaire est en liaison avec l'espace 13 par un conduit
15 débouchant
au niveau d'un orifice 16 dans le carter 1 et aussi par un conduit 17 relié au
conduit de
refoulement 18 communiquant avec l'orifice d'évacuation de la pompe.
Ce mode de réalisation permet notamment de mettre le fluide pompé à une
pression
qui est fonction de la pression de refoulement de la pompe.
Sans sortir du cadre de l'invention, et selon un autre mode de réalisation non
représenté sur les figures, la partie 2b est par exemple constituée d'un
matériau qui sous
l'effet d'une force appliquée selon une direction correspondant sensiblement à
l'axe de la
pompe, va se déformer pour appliquer une contrainte transverse sur le rotor.
De cette
manière on assure l'étanchéité entre le rotor et le stator et aussi le gain de
pression requis
pour le pompage du fluide.
La fabrication d'une pompe selon l'invention peut être réalisée de plusieurs
manières
dont une est donnée à titre illustratif et nullement limitatif en accord avec
les figures 9 à 11.
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Dans cet exemple, la partie 31 a du stator correspondant à la partie 2a de la
figure 2,
est constitué d'un alliage de cuivre.
On utilise un mandrin 30 métallique, par exemple, qui permet d'obtenir la
forme pour
la partie 31 a du stator qui va se trouver au contact du rotor. La forme du
mandrin est choisie
par rapport au rotor qui va être utilisé dans la pompe finale.
On procède, par exemple, en mettant en oauvre les étapes suivantes :
1) on introduit le mandrin 30 dans un élément 31 ayant une forme sensiblement
cylindrique
sur la majorité de sa longueur, et deux extrémités 32 et 33 de forme
sensiblement
conique,
2) on enfile l'ensemble (mandrin et élément) dans un élément formant enveloppe
34,
sensiblement cylindrique, et qui peut être le carter 1 de la pompe.
L'enveloppe 34 ou le
carter 1 auront une fonction comparable à une chambre de confinement lorsque
l'on
introduira la pression nécessaire pour mettre en forme l'élément 31. Pour
cela,
l'enveloppe comporte notamment un ou plusieurs orifices 35, ou ouvertures de
communication vers l'extérieur, permettant notamment le passage d'un fluide.
Ces
orifices sont en liaison avec par exemple une source externe qui contient un
fluide et des
moyens de mise en pression de ce fluide et de régulation de débit du fluide
injecté dans
l'espace 13,
3) on introduit au travers de la ou des ouvertures 35, le fluide sous pression
pour que
l'élément 31 épouse la forme du mandrin 30 (figure 10). De manière à faciliter
la mise en
forme de cet élément sur le mandrin, les deux extrémités 32 et 33 peuvent être
libres en
rotation ou entraînées en rotation,
4) une fois la forme obtenue pour l'élément 31 constituant en final la partie
31 a du stator, on
fait éventuellement circuler un produit adhésif de manière à ce qu'il recouvre
toutes les
parois de l'espace 13,
5) on procède ensuite à l'injection du matériau élastique par exemple un
élastomère, afin
d'obtenir la partie 31 b du stator. L'élastomère peut se présenter sous une
forme fluide, ou
liquide,
6) on procède à une étape de polymérisation afin de donner la forme finale au
matériau, et
7) on retire alors le mandrin, par exemple en le dévissant simplement.
La figure 11 schématise un mandrin 30 pourvu de différents passages ou
orifices
ayant notamment pour fonction d'évacuer l'air éventuellement prisonnier entre
l'élément
métallique 31 et la surface externe du mandrin lors de la mise en forme.
Il peut exister un passage 36 s'étendant par exemple sur la longueur du
mandrin,
ainsi que plusieurs orifices 37 qui s'étendent selon une direction
sensiblement
perpendiculaire au passage 36.
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Ces moyens de circulation 36, 37 permettent également d'injecter un fluide
lubrifiant
entre le mandrin 30 et l'élément 31 pour décoller les deux éléments et
faciliter le dévissage
du mandrin.
Pour fabriquer la pompe décrite à la figure 4, on procède par exemple à une
étape
supplémentaire qui consiste à enlever l'enveloppe 34 après l'étape de mise en
forme, mettre
en place le réseau métallique 11. On remet ensuite le carter 1 ou l'enveloppe
utilisée, et on le
solidarise à nouveau pour procéder à l'étape 4) lorsqu'elle existe ou
directement à l'étape 5).
Une autre manière de procéder consiste à mettre en place le réseau métallique
11 à
l'intérieur de l'enveloppe 34 avant d'introduire l'ensemble constitué du
mandrin 30 et de la
partie 31 à mettre en forme.
On procède ensuite aux différentes étapes en commençant par l'étape 1).
Les étapes données ci-dessus pour illustrer un mode de fabrication seront
réalisées
ou non, selon le mode de réalisation du stator.
Ainsi, pour'fabriquer un stator tel que décrit aux figures 5, 6 et 7, les
étapes 4), 5) et
6) ne sont pas exécutées.
Sans sortir du cadre de l'invention, la structure du stator décrite aux
figures
précédentes peut s'appliquer pour réaliser le stator d'un moteur utilisé
notamment dans le
domaine du forage, par exemple dans des applications fond de puits.
Le moteur est en liaison avec un outil de forage selon une disposition décrite
par
exemple dans le brevet US 5,171,138.
