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Ancre de couple de blocage en rotation d'une colonne de production d'un puits,
Système de pompage et de blocage en rotation, et installation de pompage
équipée
d'une telle ancre de couple
L'invention concerne une ancre de couple de blocage en rotation d'une colonne
de production par rapport à un cuvelage d'un puits et/ou d'une installation de
pompage
équipée d'une pompe à cavités progressantes comportant une telle ancre de
couple.
Il est connu, notamment par le document US 6,155,346, des ancres de couple
pour une installation de pompage, comportant des dents montées sur une came,
fixée au
train de tubage. Les dents sont propres à être déplacées, par l'intermédiaire
de la came,
entre une position rétractée à l'intérieur de l'ancre de couple et une
position de blocage
dans laquelle les dents s'étendent radialement à l'extérieur du bâti de
l'ancre de couple et
s'agrippent au cuvelage.
De telles ancres de couple présentent de nombreux désavantages.
Tout d'abord, elles sont basées sur des technologies à arc-boutement, et sont
donc
susceptibles de se désancrer en production en raison des fortes vibrations
générées par la
pompe à cavités progressantes. Ce désancrage peut entraîner le dévissage du
train de
tubage et sa chute en fond de puits impliquant un arrêt complet des opérations
de
production et un coût important pour réaliser des opérations de repêchage.
Ensuite, dans certains cas, le mécanisme de rétractation peut se boucher en
raison
de la présence de sable ou être altéré par la corrosion. Dans ce cas, l'ancre
de couple est
remontée par la force de sorte que le cuvelage et l'équipement de fonds sont
endommagés.
De plus, les dents sont amenées en position de blocage par la rotation du
train de
tubage depuis la surface, par des opérateurs, à l'aide de clés à griffes.
Cette opération
d'entraînement présente un certain risque pour la sécurité des opérateurs
maniant les clés
à griffes pour lui communiquer un effort de torsion. En effet, lorsque la clé
à griffe ripe,
elle peut blesser les opérateurs.
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Par ailleurs, en fonctionnement normal, l'arc-boutement des dents conduit par
principe à des pressions de contact extrêmement élevées entre lesdites dents
et le
cuvelage. Ainsi, compte tenu du haut niveau vibratoire en cours de pompage, il
est
fortement suspecté que les dents, dont la forme est nécessairement agressive
pour initier
l'arc-boutement, usinent le cuvelage.
En outre, certains puits sont soumis à d'importantes variations de température
en
cours de production. Ces variations de températures dilatent le train de
tubage qui peut
s'allonger d'une longueur allant jusqu'à 6 mètres mais ne dilatent pas ou peu
le cuvelage
puisque celui-ci est cimenté à la formation. Au cours de ces variations de
température,
l'ancre de couple, poussée par la dilatation de la colonne de production, est
déplacée par
rapport au cuvelage selon l'axe longitudinal du puits. Comme les dents de
l'ancre de
couple sont toujours ancrées dans le cuvelage, un endommagement certain par
entaillage
de la paroi interne du cuvelage est suspecté mais non quantifié à ce jour.
Enfin, pour être sûr que les dents de l'ancre de couple soient bien agrippées
au
cuvelage, celles-ci peuvent être entraînées en position de blocage à la
surface du puits
avant descente de l'ancre de couple au fond du puits. Dans ce cas, l'ensemble
des tubes
du cuvelage est lacéré et abimé lors de la descente de l'ancre de couple en
fond de puits.
Le document EP 1 371 810 décrit un dispositif anti-rotation d'un appareil de
forage. Le dispositif anti-rotation est propre à bloquer la rotation de
l'appareil de forage
dans la formation forée. 11 comprend des pistons propres à se déplacer
radialement entre
une position rétractée et une position étendue dans laquelle ils s'étendent
radialement à
l'extérieur du bâti et s'accrochent dans la formation forée. Le déplacement
des pistons
dans la position étendue est mis en oeuvre à l'aide d'un actionneur
hydraulique. Un
ressort assure le repositionnement du piston en position rétractée (Figure 10,
paragraphe
183).
Toutefois, ce dispositif anti-rotation est sous-dimensionné par rapport aux
efforts
de torsion appliqués par un stator à la colonne de production, lors de la
rotation du rotor.
Le dispositif anti-rotation tel que décrit dans ce document ne pourrait pas
contrer de tels
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efforts. En outre, l'agencement de canaux de transport d'un fluide sous
pression à
l'intérieur du bâti permettant d'actionner le déplacement des pistons, est
complexe à
fabriquer. Enfin, en cas de panne, il serait trop coûteux de réparer ou de
remplacer une
pompe hydraulique car cela nécessiterait le vidage de la colonne de
production. Le temps
moyen entre deux opérations de maintenance est d'une dizaine de jours en ce
qui
concerne un appareil de forage alors qu'il est de l'ordre de deux ans en ce
qui concerne
une installation de pompage de fluide.
De plus, les températures dans un puits de forage sont souvent bien plus
élevées.
Enfin, ce dispositif anti-rotation n'est pas adapté à une utilisation dans une
installation de pompage équipée d'un cuvelage car, pour que les pistons
s'ancrent, les
pistons doivent être munis de dents acérées qui s'accroche dans la formation
forée. Un tel
dispositif anti-rotation découperait et abîmerait le cuvelage de
l'installation de pompage.
Si les picots ou dents sont supprimés, le dispositif anti-rotation ne permet
pas de bloquer
la rotation de la colonne de production car les vibrations engendrées par la
rotation du
rotor dans le stator sont très rapides, nombreuses et de fortes amplitudes. La
formation
forée ne craint pas d'être abîmée puisqu'elle est ensuite recouverte par le
cuvelage
cimenté à ladite formation.
Le but de la présente invention est de proposer une ancre de couple capable de
résister à des couples de torsion élevés.
A cet effet l'invention concerne une ancre de couple destinée à bloquer en
rotation une colonne de production par rapport à un cuvelage d'un puits pour
le pompage
d'un fluide par une pompe à cavités progressantes, ladite ancre comportant :
- un bâti destiné à être monté dans le cuvelage,
- un canal interne ménagé dans le bâti, ledit canal interne s'étendant
selon une
direction axiale ;
- au moins une cavité en communication fluidique avec le canal interne, ladite
cavité s'étendant selon une direction radiale. et
- au moins un piston d'ancrage ajusté dans ladite cavité radiale,
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- caractérisé en ce que ladite ancre comporte au moins un ressort de pré-
charge propre à agir entre ledit piston d'ancrage et le bâti pour pousser
ledit
piston d'ancrage selon une direction radiale contre le cuvelage ;
et en ce que ledit canal interne est traversé par le fluide pompé ; ledit
piston
d'ancrage étant propre à coulisser par rapport au bâti selon la direction
radiale et à exercer un couple sur le cuvelage, lorsque le fluide pompé
contenu dans le canal interne exerce une force sur ledit piston d'ancrage;
ladite force étant fonction de la différence de pression entre la pression à
l'intérieur du canal interne et la pression à l'extérieur du bâti.
Avantageusement, la présente ancre de couple utilise la différence de pression
entre le canal interne et la pression de l'espace annulaire défini entre la
face extérieur du
bâti et le cuvelage pour bloquer en rotation la colonne de production par
rapport au
cuvelage. Cette différence de pression est générée par la pompe à cavités
progressantes
Elle peut atteindre plusieurs dizaines de mégapaseals. En conséquence, cette
ancre de
couple peut appliquer un couple très important sur la paroi interne du
cuvelage. De plus,
ce couple s'adapte au couple de blocage requis puisque ce couple est fonction
de la
différence de pression entre l'aspiration et le refoulement de la pompe à
cavités
progressantes. Le couple exercé par cette ancre de couple est auto-asservi à
la pression de
refoulement de la pompe à cavités progressantes.
Avantageusement, lorsqu'il n'y a plus de différence de pression entre
l'aspiration
elle refoulement de la pompe à cavités progressantes, l'ancre de couple se
désancre sans
qu'aucune action ne soit nécessaire. En conséquence, avantageusement, cette
ancre de
couple ne peut pas se coincer en fond de puits sous l'effet du sable ou de
l'entartrage.
Avantageusement, cette ancre de couple est compacte. En particulier, un module
comportant plusieurs pistons dans un même plan mesure entre un et deux pieds.
Avantageusement, cette ancre de couple peut être testée lorsque l'ancre de
couple est
descendue à quelques mètres dans le cuvelage.
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Cette ancre de couple présente une conception simple. En particulier, les
pistons
d'ancrage peuvent être facilement retirés du bâti lors d'une opération de
maintenance.
Suivant des modes particuliers de réalisation, l'ancre de couple comporte
l'une
5 ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- Elle comporte au moins un ressort de pré-charge propre à agir entre ledit
piston
d'ancrage et le bâti pour pousser ledit piston d'ancrage selon une direction
radiale contre
le cuvelage ; et dans laquelle le bâti comporte un rebord s'étendant en regard
du pourtour
d'une face plane du piston d'ancrage, ledit rebord formant un épaulement plan
contenu
dans un plan perpendiculaire à la direction radiale ; ledit au moins un
ressort de pré-
charge étant en appui sur ledit épaulement.
Avantageusement, ce ressort de pré-charge permet d'appliquer un couple sur la
paroi interne du cuvelage, en l'absence de pression différentielle entre le
canal interne et
l'annulaire, par exemple au moment de l'insertion du rotor dans le stator ou
lors du
démarrage de la pompe à cavités progressantes.
- ledit rebord forme une paroi munie d'au moins une ouverture propre à
laminer le
fluide pompé ; ladite au moins ouverture présentant une surface comprise entre
0,5 A et
5 % de la surface d'une section de la cavité radiale ; ladite section étant
perpendiculaire à
la direction radiale.
Le bâti est soumis à de fortes vibrations générées par la pompe à cavités
progressantes.
Avantageusement, la ou les restrictions sont propres à laminer le fluide pompé
et
ainsi à amortir les vibrations du bâti.
- le bâti comporte une chemise interposée entre la cavité radiale et le
piston
d'ancrage ; ladite chemise comprenant ledit rebord et au moins une partie
dudit rebord
s'étendant dans le canal interne.
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Avantageusement, ce mode de réalisation permet d'utiliser des ressorts plus
longs
qui sont peu sensibles aux variations de température et aux variations du
diamètre du
cuvelage de sorte que les performances de l'ancre de couple sont plus stables.
- ladite chemise est réalisée en céramique.
Avantageusement, ce matériau permet d'éviter tout risque de grippage des
pistons
d'ancrage dans la chemise. Ce matériau permet également de contenir tout
risque de
corrosion anaérobique. Cette forme de réalisation est souhaitable dans des
applications
nécessitant une durée de vie élevée ou à haute température.
- ledit piston d'ancrage comporte une tête et une jupe prolongeant le
pourtour de
la tête, ladite tête et ladite jupe formant une chambre ouverte sur le canal
interne ; ledit
ressort de pré-charge étant logé dans ladite chambre et guidé par ladite jupe.
Avantageusement, les ressorts de pré-charge peuvent être facilement retirés du
bâti lors d'une opération de maintenance.
- le piston d'ancrage et la cavité radiale présentent une forme cylindrique
à base
circulaire, le piston d'ancrage étant bloqué en rotation par rapport au bâti à
l'aide d'un
dispositif de blocage en rotation.
- le dispositif de blocage en rotation comprend une rainure et une dent
propre à
coulisser dans ladite rainure selon une direction radiale ; la rainure et la
dent étant
solidaires l'une d'une extrémité libre de la jupe et l'autre du bâti.
- une section transversale du piston d'ancrage et de la cavité radiale
présente une
forme oblongue.
Avantageusement, cette forme empêche la rotation du piston d'ancrage dans la
cavité radiale, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter un crabot.
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Cette forme permet également d'augmenter la surface du piston et par voie de
conséquence la force appliquée au cuvelage. Cette forme permet enfin
d'augmenter la
longueur du contact avec le cuvelage ce qui réduit la pression de contact et
facilite le
passage des joints de cuvelage en charge.
- le piston d'ancrage comporte une face externe en regard du cuvelage,
ladite face
externe étant munie d'un bourrelet de préférence rectiligne.
- lorsque les pistons d'ancrage sont agencés dans un unique plan, ledit
bourrelet
s'étend sur une distance comprise entre 30 % et 70 %, et de préférence,
comprise entre
30 % et 48 % du diamètre intérieur du cuvelage, et lorsque les pistons
d'ancrage sont
agencés dans plusieurs plans, la distance définie entre les extrémités des
bourrelets des
pistons d'ancrage d'extrémité est comprise entre 30 % et 70 %, et de
préférence,
comprise entre 30 % et 48 % du diamètre intérieur du cuvelage.
Avantageusement, cette longueur permet de passer les joints de cuvelage sans
abimer le cuvelage.
- qui comporte un joint d'étanchéité assurant l'étanchéité entre, d'une
part, le
piston d'ancrage et d'autre part, le bâti ou la chemise.
- qui comporte au moins un tirant propre à maintenir le piston d'ancrage
dans une
position rétractée, lors de la descente de l'ancre couple en fond de puits ;
ledit tirant étant
fixé, d'une part, à une face du piston d'ancrage et, d'autre part, au bâti.
L'invention concerne également un système de pompage et de blocage en rotation
destiné à bloquer une colonne de production par rapport à un cuvelage d'un
puits, ledit
système comprenant une pompe à cavités progressantes propre à aspirer un
fluide à
pomper par une aspiration, à comprimer le fluide pompé et à refouler le fluide
comprimé
par un refoulement,
caractérisé en ce que le système comporte une ancre de couple définie selon
les
caractéristiques mentionnées ci-dessus ; ladite ancre de couple étant fixée en
aval de la
pompe à cavités progressantes, en considérant le sens d'écoulement du fluide
pompé à
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l'intérieur de la cavité interne: ledit couple étant fonction de la différence
de pression
générée par la pompe à cavités progressantes entre son aspiration et son
refoulement.
L'invention concerne également une installation de pompage d'un puits équipé
d'un cuvelage ; ladite installation de pompage comportant :
- une colonne de production agencée dans ledit cuvelage ;
- une pompe à cavités progressantes propre à déplacer un fluide à pomper
par
une aspiration, et à refouler le fluide par un refoulement,
caractérisée en ce que l'installation comporte une ancre de couple définie
selon
les caractéristiques mentionnées ci-dessus ; ladite ancre de couple étant
fixée en aval de
la pompe à cavités progressantes, en considérant le sens d'écoulement du
fluide pompé à
l'intérieur de la cavité interne ; ladite force étant fonction de la
différence de pression
générée par la pompe à cavités progressantes entre son aspiration et son
refoulement.
L'invention concerne également un procédé de blocage en rotation d'une colonne
de production par rapport à un cuvelage d'un puits pour le pompage d'un fluide
par une
pompe à cavités progressantes ; ledit procédé étant mis en oeuvre par une
ancre de couple
définie selon l'une quelconque des caractéristiques mentionnées ci-dessus,
caractérisé en
ce que le procédé comporte les étapes suivantes :
- aspiration d'un fluide à pomper par une aspiration de la pompe à cavités
progressantes et refoulement dudit fluide sous pression dans la colonne de
production par le refoulement de ladite pompe à cavités progressantes ;
- application d'une pression sur une face du piston d'ancrage par le fluide
pompé ; ladite application entrainant l'application d'un couple par ledit
piston d'ancrage sur le cuvelage ; ledit couple étant fonction de la
différence
de pression entre l'aspiration et le refoulement de la pompe à cavités
progressantes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre,
donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures sur
lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique d'une installation de pompage selon
la
présente invention
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- la figure 2 est une vue en perspective arrachée d'une ancre de couple
selon un
premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est une vue en coupe axiale d'une partie du cuvelage et de de
l'ancre de couple illustrée sur la figure 1;
- la figure 4 est un graphe représentant le couple généré par l'ancre de
couple
selon la présente invention en fonction de la différence de pression entre
l'entrée et la sortie d'une pompe à cavités progressantes ;
- la figure 5 est une vue en perspective arrachée d'une ancre de couple
selon un
second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une vue en coupe d'une partie de l'ancre de couple illustrée
sur
la figure 5, le plan de coupe étant perpendiculaire à un axe axial et passant
par une rainure de l'ancre de couple ;
- la figure 7 est une vue en perspective arrachée d'une partie d'une ancre
de
couple selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 8 est une vue en coupe d'une partie du bâti et d'un piston
d'ancrage
représentant une variante de réalisation du premier, du deuxième et du
troisième modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 9 est une vue en coupe d'une partie du bâti et d'un piston
d'ancrage
représentant une autre variante de réalisation du premier, du deuxième et du
troisième modes de réalisation de l'invention ;
- la figure 10 est une vue en perspective coupée d'une partie du bâti et
d'un
piston d'ancrage d'une variante de réalisation de l'ancre de couple selon
l'invention ;
- la figure 11 est une vue en perspective arrachée d'une ancre de couple
selon
un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et
- La figure 12 représente les étapes du procédé selon l'invention.
Dans la description qui va suivre, les termes haut , bas , inférieur
,
supérieur , droite et gauche sont définis lorsque l'ancre de couple
selon
l'invention est disposée comme illustré sur la figure 1, et ne sont nullement
limitatifs.
La présente invention concerne une ancre de couple et une installation de
pompage d'un puits équipée d'une telle ancre de couple.
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L'installation de pompage 2 selon la présente invention est principalement
destinée au pompage d'hydrocarbures, d'eau ou de gaz. En référence à la figure
1, elle
comporte :
5 - un
cuvelage 6 cimenté à la formation 7 et comprenant des perforations 8
dans sa partie inférieure pour le passage du fluide à pomper ;
- une colonne de production 10 agencée dans le cuvelage 6;
- une tête de puits 12 montée sur un bloc obturateur de puits 14 et
contenant un dispositif d'entraînement entraînant en rotation d'un train de
tiges 16
10 (ou
d'une tige continue) situé à l'intérieur et tout le long de la colonne de
production
10,
- une pompe à cavités progressantes 18 comportant un rotor 20 solidarisé à
et
entraîné en rotation par le train de tiges 16, et un stator 22 ayant une
ouverture, dite
aspiration, 24 située en fond de puits et une ouverture, dite refoulement, 26
fixée à
l'extrémité de la colonne de production 10,
- un élément de filtrage 28, généralement appelé crépine en français et
perforated pipe, slotted screen ou sand screen en anglais, fixé à
l'ouverture
d'entrée 24 de la pompe à cavités progressantes 18, et
- une ancre de couple 30 conforme à la présente invention et décrite ci-
après.
L'ancre de couple 30 est fixée en aval de la pompe à cavités progressantes 18,
en
considérant le sens d'écoulement du fluide pompé à l'intérieur de la colonne
de
production 10. Selon le mode de réalisation représenté, l'ancre de couple 30
est
directement fixée à l'extrémité supérieure du stator 22. Selon une variante
non
représentée, un tube à paroi épaisse, appelé en anglais tubing ou blast
joint ,
est fixé entre la pompe à cavités progressantes 18 et l'ancre de couple 30 de
sorte que
ce tube soit disposé en vis-à-vis des perforations 8 du cuvelage.
Lors du fonctionnement de la pompe à cavités progressantes 18, le fluide
contenu
dans la roche est déplacé au travers des perforations 8 du cuvelage, il
s'écoule dans la
partie annulaire située entre la colonne de production 10 et le cuvelage 6.
Puis, il traverse
la crépine 28 et pénètre dans l'ouverture d'entrée 24 de la pompe à cavités
progressantes.
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La pompe à cavités progressantes est composée d'un certain nombre de cavités
délimitées par un serrage entre le rotor et le stator. Ce serrage est appelé
la ligne de
fuite . Cette ligne de fuite génère une perte de charge entre chaque paire de
cavités
adjacentes et ainsi produit une différence de pression notable entre
l'aspiration 24 et le
refoulement 26. Cette différence de pression est généralement appelée
pressure rating
en anglais.
Le fluide est refoulé par le refoulement 26 dans la colonne de production 10.
Le
fluide est ensuite déplacé jusqu'au bloc obturateur de puits 14, par la
poussée du fluide
en cours de déplacement dans le stator 22, d'où il est évacué par des
conduites de
distribution 32. L'ancre de couple 30 centre et bloque en rotation le stator
22 de la pompe
ainsi que la colonne de production 10, lors de la rotation du rotor 20 de la
pompe à
cavités progressantes 18. Comme décrit ultérieurement, l'ancre de couple 30
selon la
présente invention utilise la différence de pression générée par la pompe à
cavités
progressantes 18 pour plaquer des pistons d'ancrage contre la paroi interne 34
du
cuvelage 6.
En référence aux figures 2 et 3, l'ancre de couple 30 selon le premier mode de
réalisation de l'invention comporte un bâti 36, six pistons d'ancrage 38, 40,
42 portés par
le bâti et six ressorts de pré-charge 44, 46, 48 propres à pousser les pistons
d'ancrage 38,
40, 42 contre le cuvelage 6. Notez que, sur la vue en perspective arrachée de
la figure 2,
seuls cinq ressorts de pré-charge et trois pistons d'ancrage sont visibles.
Le bâti 36, par exemple de forme générale cylindrique, est pourvu d'un canal
interne 50 ainsi que de six cavités 52, 54, 56, logeant, chacune un piston
d'ancrage 38,
40, 42 et un ressort de pré-charge 44, 46, 48. Le bâti 36 et le canal interne
50 forme une
section d'une conduite.
Le canal interne 50 traverse le bâti 36, de part en part, selon une direction
axiale
A-A. Il débouche sur les parois planes d'extrémité 58, 60 du bâti. Lorsque
l'ancre de
couple 30 est montée dans le puits, la direction axiale A-A est parallèle à
l'axe
longitudinal du puits et le canal interne 50 est traversé par une tige 62 du
train de tiges
reliant la tête de puits au rotor 20.
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Le canal interne 50 présente un diamètre environ trois à quatre fois supérieur
au
diamètre de la tige 62 de sorte que l'espace annulaire 64 défini entre la tige
62 et le canal
interne 50 du bâti 36, est suffisant pour autoriser le débattement du train de
tige engendré
par l'excentricité de l'assemblage rotor/stator et permettre le passage de
l'ensemble du
fluide pompé qui remonte ensuite le long de la colonne de production 10 sans
perte de
charge importante.
Les cavités radiales 52, 54, 56 débouchent à la fois dans le canal interne 50
et sur
la face extérieure 66 du bâti. Elles s'étendent radialement à équiangle l'une
de l'autre
dans un plan perpendiculaire à la direction axiale A-A. Dans le mode de
réalisation
représenté, trois cavités radiales 52 sont disposées dans un premier plan 68
et les trois
autres cavités radiales 54, 56 sont disposées dans un deuxième plan 70
parallèle au
premier plan 68. Sur la figure 2, seules cinq cavités sont visibles.
En variante, le bâti 36 comporte un nombre différent de cavités radiales et de
pistons d'ancrage dans chaque plan et /ou un nombre supérieur ou inférieur de
plans.
Les cavités radiales 52, 54, 56 présentent une forme complémentaire à la forme
des pistons d'ancrage 38, 40, 42. Dans le mode de réalisation représenté, les
cavités
radiales 52, 54, 56 et les pistons d'ancrage 38, 40, 42 présentent une forme
cylindrique à
base circulaire.
La face cylindrique externe 72 des pistons d'ancrage ainsi que la face
cylindrique
interne 74 des cavités sont lisses et continues. Ainsi, les pistons d'ancrage
38, 40, 42
peuvent coulisser à l'extérieur du bâti 36 sous la force des ressorts de pré-
charge 44, 46,
48, et sous la différence de pression entre la pression du fluide pompé
contenu dans le
canal interne 50 et la pression de l'espace annulaire 75 défini entre le
cuvelage 6 et le bâti
36. L'application du fluide pompé sous pression contre des pistons d'ancrage
38, 40, 42
aptes à coulisser radialement permet d'augmenter le couple d'ancrage de
l'ancre de
couple. Cette mise en oeuvre facilite aussi l'extraction des ressorts de pré-
charge 44, 46,
48 et les changements de pistons d'ancrage 38, 40, 42 lors des opérations de
maintenance.
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Les pistons d'ancrage 38, 40, 42 sont ajustés dans les cavités radiales 52,
54, 56
= de manière à autoriser le coulissement radial des pistons d'ancrage tout
en maintenant
une étanchéité maximale entre le bâti 36 et les pistons d'ancrage 38, 40, 42.
Par exemple,
un ajustement égal à H7 g6, ou H6 g5 est utilisé.
Le bâti 36 comporte un rebord 76 s'étendant, dans chaque cavité radiale 52,
54,
56, en regard d'une face plane du piston d'ancrage. Il est solidaire du
pourtour de la face
cylindrique interne 74 des cavités. Une face plane du rebord 76 forme un
épaulement 78
contenu dans un plan perpendiculaire à la direction radiale. Un ressort de pré-
charge 44,
46, 48 est en appui sur cet épaulement 78.
De préférence, le rebord 76 est positionné à l'extrémité de la cavité 52 la
plus
proche du canal interne 50 de manière à pouvoir utiliser des ressorts de pré-
charge 44,
46, 48 les plus longs possible.
En variante, le rebord 76 forme un décrochement en forme de L dont la branche
inférieure s'étend dans le canal interne 50.
Les pistons d'ancrage 38, 40, 42 comprennent une tête 80 en forme de disque et
une jupe 82 solidaire du pourtour de la tête 80 et s'étendant
perpendiculairement au plan
médian de la tête 80.
La tête 80 et la jupe 82 forme une chambre 83 ouverte sur le canal interne.
Chaque ressort de pré-charge est logé dans la chambre 83. La jupe 82 guidant
le ressort
de pré-charge 44, 46, 48.
Selon ce mode de réalisation, l'épaulement 78 présente une largeur environ
égale
à l'épaisseur de la jupe 82 majorée du diamètre du tore formant le ressort de
pré-charge
44, 46, 48.
La tête 80 de chaque piston présente une face interne 84 et une face externe
86
opposée à la face interne. La face interne 84 est disposée en regard du canal
interne 50
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14
lorsque le piston d'ancrage 38, 40, 42 est monté dans le bâti 36. La face
externe 86 est
disposée en regard du cuvelage 6, lorsque l'ancre de couple 30 est installée
dans le puits.
La face externe 86 des pistons d'ancrage est pourvue d'un bourrelet 88 ou
d'une
lèvre formant une portion de tore ouvert, destiné à se plaquer sur la paroi
interne 34 du
cuvelage. La section transversale du bourrelet 88 est, de préférence, arrondie
de manière
à ce que le bourrelet 88 n'abime pas le cuvelage 6.
Le bourrelet 88 est pourvu d'un revêtement augmentant sa résistance à l'usure.
Le
coefficient de frottement de ce revêtement, permet une optimisation de
l'adhérence au
cuvelage. Ce revêtement est, par exemple, réalisé à base de carbure de
tungstène ou de
diamants synthétiques.
Le bourrelet 88 est positionné de manière à former une ligne droite rectiligne
passant par
le centre de la face externe 86 de la tête. Le bourrelet 88 est arrondi à ses
extrémités pour
éviter de s'accrocher au passage des joints de cuvelage. Pour faciliter la
descente de
l'ancre de couple 30 dans le puits et obtenir une résistance maximale à la
rotation autour
de l'axe axial A-A, les pistons d'ancrage 38, 40, 42 sont agencés à
l'intérieur des cavités
radiales 52, 54, 56 de manière à ce que les bourrelets 88 soient positionnées
parallèlement à l'axe axial A-A.
En variante, le bourrelet 88 présente une forme différente. Par exemple une
forme
en serpentin ou de croix qui sera choisie si l'on souhaite à la fois bloquer
la rotation et la
translation de l'ancre de couple 30 selon et autour de l'axe axial A-A.
La distance D comprise entre la limite du bourrelet 88 d'un piston d'ancrage
38
situé dans le premier plan radial 68 et la limite du bourrelet 88 du piston
d'ancrage 40
situé dans le plan radial situé à l'extrémité opposée (ici le second plan
radial 70) et
contenu dans le même plan axial, est supérieure à la longueur d'un joint de
cuvelage de
sorte que l'ancre de couple 30 peut traverser les joints de cuvelage sans les
abîmer. Par
exemple, cette distance D est comprise entre 30 % et 70 %, et de préférence,
comprise
entre 30 % et 48 % du diamètre intérieur du cuvelage 6.
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En variante, lorsque les pistons d'ancrage 38, 40, 42 sont agencés dans un
unique
plan, le bourrelet 88 de chaque piston d'ancrage s'étend sur une longueur
égale à cette
même distance D, à savoir sur une distance D comprise entre 30 % et 70 %, et
de
préférence, comprise entre 30 % et 48% du diamètre intérieur du cuvelage.
5
Selon le premier mode de réalisation de l'invention, l'extrémité libre de la
jupe 82
est munie d'une dent 90 et le rebord 76 situé au pied de la cavité radiale
comprend une
rainure 92 dans laquelle la dent 90 est propre à coulisser lors des variations
de diamètre
intérieur du cuvelage et sous la pression du fluide pompé, comme visible sur
la figure 3.
10 Ce crabot 90- 92 constitue un dispositif de blocage en rotation des
pistons d'ancrage 38,
40, 42 par rapport au bâti 36 qui garantit que le bourrelet 88 reste parallèle
à l'axe axial
A-A, notamment au cours de la descente de l'ancre de couple 30 en fond de
puits ou
lorsque l'ancre de couple 30 se déplace verticalement dans le cuvelage 6 en
raison des
variations de température.
Avantageusement, la tête 80 du piston d'ancrage est renforcée au niveau du
bourrelet 88, par exemple par augmentation de sa section. Par exemple, dans le
mode de
réalisation représenté, la section de la tête 80 selon un plan de coupe
perpendiculaire au
bourrelet 88 présente une forme triangulaire, comme visible sur la figure 6.
Les ressorts de pré-charge 44, 46, 48 exercent une force définie sur les
pistons
d'ancrage 38, 40, 42 en direction du cuvelage 6 afin que les pistons d'ancrage
38, 40, 42
bloquent l'ancre de couple 30 en rotation, lorsque la différence de pression
entre la
pression du fluide pompé à l'intérieur du canal interne 50 et la pression dans
l'espace
annulaire 75 est faible, c'est- à dire au moment du démarrage de la pompe à
cavités
progressantes 18 ou lorsque la quantité de fluide pompé est faible. La force
exercée par
les ressorts de pré-charge 44, 46, 48 est fonction du couple de frottement
interne de la
pompe à cavités progressantes 18. Elle est également inférieure à la pression
exercée par
le fluide pompé, mais elle est suffisante pour assurer un blocage suffisant
aux moments
où le rotor 20 ne tourne pas dans le stator et ne génère donc pas de fortes
vibrations.
La constante de raideur des ressorts de pré-charge 44, 46, 48 est calculée de
manière à assurer une force suffisamment importante pour bloquer en rotation
la colonne
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de production 10 lors de la mise en rotation du rotor 20, sans que la
connexion filetée
entre le dernier tube de la colonne de production 10 et l'ancre de couple 30
ne se dévisse,
et pas trop importante pour ne pas abîmer le cuvelage 6 ou les bourrelet 88,
lors de la
descente de l'ancre de couple 30 en fond de puits.
Les ressorts de pré-charge 44, 46, 48 sont des ressorts hélicoïdaux. Ils sont
chacun
en appui, d'une part sur l'épaulement 78, et, d'autre part, sur la face
interne 84 de la tête.
En variante, chaque piston d'ancrage 38, 40, 42 comporte un ressort à spires
ondulées ; ou deux ressorts hélicoïdaux montés l'un dans l'autre et de façon
coaxiale
avantageusement de sens d'enroulement opposés.
Selon une variante moins avantageuse, le bâti comporte une unique cavité, un
unique piston d'ancrage logé dans ladite cavité, et une butée. La cavité, le
piston
d'ancrage et la butée sont disposée dans un unique plan radial 68. La butée
s'étend
radialement et est disposée de façon diamétralement opposée au piston
d'ancrage.
Lorsque l'ancre de couple est montée dans le puits, la butée et le piston
d'ancrage sont en
appui sur la face interne du cuvelage.
En variante également, le bâti comporte un unique piston d'ancrage et une
unique cavité
dans un premier plan radial, un unique piston d'ancrage et une unique cavité
dans un
deuxième plan radial, un unique piston d'ancrage et une unique cavité dans un
troisième
plan radial. Les cavités et les pistons d'ancrage sont répartis de plus à
équiangle autour
de l'axe axial A-A.
En variante, deux pistons d'ancrage contenus dans deux plans radiaux
différents
sont liés l'un à l'autre pour solidariser leur mouvements selon la direction
radiale afin de
faciliter le passage des joints de casing en charge. Ce lien peut, par
exemple, être réalisé
par fixation d'un axe aux dents 90 de chaque piston ou par fixation d'un jonc
en inconel
ou en alliage de titane sur les renforts de chaque tête de piston d'ancrage.
Lors de l'installation de l'ancre de couple 30 dans le puits, les ressorts de
pré-
charge 44, 46, 48 et les pistons d'ancrage 38, 40, 42 sont insérés dans le
bâti 36 et sont
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maintenus à l'aide d'un outil en forme d'entonnoir lors de l'introduction de
l'ancre de
couple dans le cuvelage 6 avec la colonne de production 10. Puis, l'ancre de
couple 30
est descendue en fond de puits. Lors de la descente de l'ancre de couple 30
ainsi que lors
de la mise en rotation du rotor 20, les ressorts de pré-charge 44, 46, 48
plaquent les
pistons d'ancrage 38, 40, 42 contre le cuvelage 6 avec un couple minimum Cl
comme
illustré sur la figure 4. De par sa structure, la pompe à cavités
progressantes 18 déplace le
fluide, et le rejette dans la cavité interne 50 de l'ancre de couple. Puis, le
couple résistant,
appliqué par les pistons d'ancrage 38, 40, 42 de l'ancre de couple, augmente
linéairement, aux frottements près, en fonction de la différence de pression
entre
l'aspiration et le refoulement de la pompe à cavités progressantes 18. Cette
différence de
pression correspond environ à la différence de pression entre la pression dans
la partie
annulaire située entre l'ancre de couple 30 et le cuvelage 6 et la pression à
l'intérieur de
la cavité interne 50. Comme la pression générée par la pompe à cavités
progressantes 18
est importante, la pression exercée par le fluide pompé sur les pistons
d'ancrage 38, 40,
42 et en conséquence la force exercée par les pistons d'ancrage 38, 40, 42 sur
le cuvelage
6, est elle aussi importante. Elle peut atteindre plusieurs centaines de bars.
Ainsi, avantageusement, l'ancre de couple 30 selon la présente invention
utilise la
pression du fluide déplacé pour activer ou dés activer l'ancrage de l'ancre de
couple 30.
Avantageusement, l'ancrage est auto-asservi à la pression du fluide (air ou
fluide
pompé sous pression) contenu dans le canal interne 50 et donc à l'état de
vibration de la
colonne de production 10 puisque celui-ci est directement fonction de la
vitesse de
rotation du rotor 20 dans le stator 22.Ainsi, il n'est pas nécessaire de
monter un dispositif
permettant de commander l'arrêt ou le démarrage de l'ancrage de l'ancre de
couple 30.
De tels dispositifs sont délicats à mettre en uvre car ils doivent résister à
des
températures pouvant atteindre les 200 C et des pressions importantes pendant
des
durées de vie importantes.
En référence aux figures 5 et 6, l'ancre de couple 94 selon le second mode de
réalisation de l'invention est identique à l'ancre de couple 30 selon le
premier mode de
réalisation à l'exception du fait que le rebord 76 s'étend à l'intérieur de la
cavité radiale
52, 54, 56 de manière à former une paroi 96 munie d'au moins une ouverture 98
propre à
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laminer le fluide pompé provenant du canal interne 50. Cette ouverture 98
présente une
surface d'environ 0,5 % à 5 % de la surface de la section de la cavité radiale
52, 54, 56,
le plan de section étant perpendiculaire à la direction radiale.
La paroi 96 est positionnée entre le canal interne 50 et la cavité radiale 52,
54, 56.
Elle constitue une restriction du passage entre le canal interne et la cavité
radiale. Cette
restriction ainsi que la présence de la chambre 83 permet de laminer le fluide
pompé et
ainsi d'amortir les chocs et les vibrations auxquels l'ancre de couple 94 est
soumise. Le
diamètre de l'ouverture 98 est calculé de manière à autoriser un passage de
suffisamment
de fluide pompé pour obtenir une pression suffisante des pistons d'ancrage 38,
40, 42
contre le cuvelage 6 tout en permettant de laminer le fluide pompé.
Dans ce mode de réalisation, l'ancre de couple réalise de plus une fonction,
d'une
part, de centreur de la colonne de production par rapport au cuvelage et,
d'autre part,
d'amortisseur des vibrations générées par la pompe à cavités progressantes.
Les autres éléments techniques du second mode de réalisation de l'invention
sont
identiques ou similaires aux éléments techniques du premier mode de
réalisation. Ils ont
été référencés par les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde
fois.
En référence à la figure 7, l'ancre de couple 100 selon le troisième mode de
réalisation de l'invention est identique à l'ancre de couple 30 selon le
premier mode de
réalisation à l'exception du fait que le bâti 36 ne comporte pas de rebord 76
et que le bâti
comporte des chemises 102 interposées entre les pistons d'ancrage 38, 40, 42
et les
cavités radiales 52, 54. 56.
Les chemises 102 présentent une forme complémentaire à la forme des cavités
radiales 52, 54, 56. En particulier, dans le mode réalisation de l'invention
représenté, les
chemises 102 présentent la forme d'une douille munie à une de ses extrémités,
d'un
rebord 76 qui s'étend vers l'intérieur de la chemise. Le rebord 76 forme un
épaulement
78 sur lequel le ressort de pré-charge 44, 46, 48 est en appui.
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Les chemises 102 sont fixées à la face cylindrique interne 74 creuse du bâti
délimitant les cavités radiales 52, 54, 56 de manière à ce que au moins une
partie de la
chemise 102 pourvue du rebord 76 est disposée dans le canal interne 50.
Avantageusement cette fixation est réalisée par soudure ou par frettage pour
assurer l'étanchéité.
Dans le mode de réalisation représenté, le rebord 76 présente une largeur
environ
égale à l'épaisseur de la jupe 82 et à la largeur du diamètre du tore formant
le ressort de
pré-charge 44, 46, 48.
La chemise 102 est pourvue d'une rainure dans laquelle la dent 90 du piston
d'ancrage 38, 40, 42 est propre à coulisser.
Avantageusement, ce mode de réalisation permet d'utiliser des ressorts de pré-
charge plus longs. Ce mode de réalisation restreint légèrement la section de
passage du
fluide pompé dans le canal interne 50.
Préférentiellement, les chemises sont réalisées en céramique de type Zircone Y-
"FZP pour éviter tout risque de grippage des guidages en translation des
pistons et limiter
les risque d'érosion prématurée des orifices 98.
Dans ce mode de réalisation, le bâti comporte une surface d'appui 103 sur
laquelle une partie de la chemise 102 repose. En variante, le bord supérieur
de la chemise
situé du côté de la face externe du bâti peut être muni d'un rebord en appui
sur le bâti.
Les autres éléments techniques du troisième mode de réalisation de l'invention
sont identiques ou similaires aux éléments techniques du premier mode de
réalisation. Ils
ont été référencés par les mêmes références et ne seront pas décrits une
seconde fois.
En variante, le rebord 76 s'étend sur une plus grande longueur de manière à
créer
une restriction comme dans le mode de réalisation de l'invention illustré sur
la figure 5.
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Selon une variante de réalisation de l'invention, un joint d'étanchéité 104
est
aménagé entre le piston d'ancrage 38, 40, 42 et le bâti 36 ou la chemise 102.
En référence à la figure 8, ce joint d'étanchéité 104 est agencé dans une
gorge 106
5 formée dans le bâti 36 ou la chemise 102. Dans ce cas, un chanfrein 108
est réalisé sur le
pourtour de la face cylindrique externe 72 du piston d'ancrage.
En variante et en référence à la figure 9, un joint d'étanchéité 110 est
agencé dans
une gorge 112 formée dans le piston d'ancrage. Dans ce cas, un chanfrein 114
est réalisé
10 sur le bâti 36 le long du pourtour de la cavité radiale 52, 54, 56 ou le
long de la face
interne de la chemise 102.
Selon une variante représentée sur la figure 10, les pistons d'ancrage 116 et
les
cavités radiales 118 présentent une forme cylindrique à base elliptique ou une
section
15 oblongue.
Les pistons d'ancrage 116 sont réalisés dans un bloc plein. Deux alésages 120,
122 sont percés sur la face interne 84 de chaque piston d'ancrage. Les
alésages 120, 122
s'étendent selon une direction radiale. Un ressort de pré-charge 44, 46 est
aménagé dans
20 chaque alésage 120, 122.
Préférentiellement, les alésages 120, 122 sont disposés à chaque extrémité du
piston d'ancrage 116. Avantageusement, un ressort de pré-charge 44 est propre
à se
rétracter alors que l'autre ressort de pré-charge 46 est propre à s'étendre,
lorsque le piston
d'ancrage 116 est au contact d'une bosse ponctuelle ou d'un creux ponctuel. En
variante,
les deux alésages 120, 122 sont rapprochés l'un de l'autre et disposés vers le
centre du
piston d'ancrage 116.
Cette variante de forme des pistons d'ancrage peut être utilisée dans les
quatre
modes de réalisation de l'invention décrits.
En référence à la figure 11, l'ancre de couple 124 selon le quatrième mode de
réalisation de l'invention est identique à l'ancre de couple 100 selon le
troisième mode de
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réalisation à l'exception du fait qu'elle comporte des tirants 126 aptes à
maintenir les
pistons d'ancrage 38, 40, 42 dans une position rétractée, au cours de la
descente de
l'ancre de couple 124. Les tirant 126 sont aptes à être rompus, lorsque
l'ancre de couple
124 est positionnée en fond de puits.
Le bâti 36 de l'ancre de couple 124 comporte en outre une traverse 128 reliant
deux parties diamétralement opposées du rebord. Le tirant 126 est fixé, d'une
part, à la
face interne 84 du piston d'ancrage et, d'autre part, à ladite traverse 128
par des
ensembles à filetage et à taraudage 130 ou par des goupilles.
Le tirant 126 est réalisé avec un diamètre suffisamment faible pour être cassé
par
un fluide sous pression injecté dans la colonne de production par la tête de
puits.
En variante, le bâti 36 comporte un mécanisme hydraulique, électrique ou
acoustique thermique, chimique propre à cisailler les tirants 126 pour
actionner les
ressorts d'ancrage 44, 46, 48 et atteindre le couple minimum Cl nécessaire
pour
permettre l'insertion du rotor 20 dans le stator 22 sans dévisser la liaison
entre le stator
22 et l'ancre de couple 18 ou la liaison entre l'ancre de couple et la colonne
de
production.
Ce mode de réalisation peut être mis en oeuvre avec une grande ouverture 98
entre
la cavité interne 50 et la chambre 83, comme illustré dans le premier mode de
réalisation
de l'invention ou avec une ouverture 98 plus faible autorisant un
amortissement des
chocs, comme dans le deuxième mode de réalisation de l'invention.
Les autres éléments techniques du quatrième mode de réalisation de l'invention
sont identiques ou similaires aux éléments techniques du troisième mode de
réalisation.
Ils ont été référencés par les mêmes références et ne seront pas décrits une
seconde fois.
L'invention concerne également un système de pompage et de blocage en rotation
destiné à bloquer une colonne de production par rapport à un cuvelage d'un
puits. Le
système comprenant une pompe à cavités progressantes propre à aspirer un
fluide à
pomper par une entrée, à comprimer le fluide pompé et à refouler le fluide
comprimé par
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une sortie. Ce système de pompage et de blocage comporte une ancre de couple
selon
l'invention et comme décrit ci-dessus. L'ancre de couple est fixée en aval de
la pompe à
cavités progressantes, en considérant le sens d'écoulement du fluide pompé à
l'intérieur
de la cavité interne. Le couple est fonction de la différence de pression
générée par la
pompe à cavités progressantes entre son entrée et sa sortie.
L'invention concerne également un procédé de blocage en rotation d'une colonne
de production 10 par rapport à un cuvelage 6 d'un puits pour le pompage d'un
fluide par
une pompe à cavités progressantes 18. Let procédé est mis en uvre par une
ancre de
couple 30, 94, 100, 124 comportant un bâti 36 destiné à être monté dans le
cuvelage 6, un
canal interne 50 ménagé dans le bâti 36, ledit canal interne 50 s'étendant
selon une
direction axiale A-A ; au moins une cavité 52,54,56,118 en communication
fluidique
avec le canal interne 50, ladite cavité 52,54,56,118 s'étendant selon une
direction radiale
et au moins un piston d'ancrage 38,40,42,116 ajusté dans ladite cavité radiale
52,54,56,118En référence à la figure 12, le procédé comporte les étapes
suivantes :
- aspiration 151 d'un fluide à pomper par une aspiration 24 de la pompe à
cavités progressantes 18,
- traversée 152 dudit canal interne 50 par le fluide pompé,
- refoulement 153 dudit fluide sous pression dans la colonne de production
10
par le refoulement 26 de ladite pompe à cavités progressantes 18;
- application 154 d'une pression sur une face du piston d'ancrage 38, 40,
42,
116 par le fluide pompé ;
coulissement 155 dudit piston d'ancrage 38, 40, 42, 116 par rapport au bâti 36
selon la direction radiale ; ladite application entrainant l'application d'un
couple par ledit
piston d'ancrage 38, 40, 42, 116 sur le cuvelage 6 ; ledit couple étant
fonction de la
différence de pression entre l'aspiration 24 et le refoulement 26 de la pompe
à cavités
progressantes.
La présente invention concerne également un centreur et/ou un amortisseur
comportant :
- un bâti 36 destiné à être monté dans le cuvelage 6,
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- un canal interne 50 ménagé dans le bâti, ledit canal interne s'étendant
selon
une direction axiale (A-A), ledit canal interne 50 étant traversé par le
fluide
pompé ;
- au moins une cavité 52, 54, 56, 118 en communication fluidique avec le
canal interne 50, ladite cavité 52, 54, 56, 118 s'étendant selon une direction
radiale, et
- au moins un piston d'ancrage 38, 40, 42, 116 ajusté dans ladite cavité
radiale
52, 54, 56, 118, ledit piston d'ancrage 38, 40, 42, 116 étant propre à
coulisser par rapport au bâti 36 selon la direction radiale et à exercer un
couple sur le cuvelage 6, lorsque le fluide pompé contenu dans le canal
interne 50 exerce une force contre ledit piston d'ancrage 38, 40, 42, 116 ;.
Le centreur et/ou l'amortisseur comporte les caractéristiques décrites en
liaison
avec les figures 5 et 6 et éventuellement les caractéristiques décrites en
liaison avec les
figures 7 à 11.
Avantageusement, le bourrelet 88 du centreur et/ou de l'amortisseur n'est pas
recouvert de carbure de tungstène et présente, de préférence, une forme
arrondie.
'?() Avantageusement, la rotation du piston dans le bâti est empêchée.
Avantageusement, le contact du piston contre l'intérieur du cuvelage est
assuré.
Avantageusement, les joints du cuvelage ne sont pas abimés lors de la descente
de
l'ancre de couple au fond du cuvelage.
