FR2696792A1 - Well pumping system, e.g. for oil well - allows lubricant injection from surface to pump rotor mounting - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un système de pompage d'un effluent produit par une formation géologique dans le fond d'un puits équipé d'une colonne tubulaire. I1 comporte une pompe volumétrique rotative adaptée à de grand débit de production dudit effluent. The present invention relates to a system for pumping an effluent produced by a geological formation in the bottom of a well equipped with a tubular column. I1 comprises a rotary positive displacement pump adapted to a high production rate of said 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. ll 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. it is known to use pumps of the MOINEAU type driven in rotation by rods, themselves driven in rotation from a surface installation. However, the speed of rotation of the pump rotor is limited in particular by the mechanical resistance of the rods, the dynamic friction inside the well, or the mechanical mounting of the rotor in the stator of the pump. Indeed, concerning this last limitation, the nature of the effluents in which the pump is placed, the pressure and the temperature prevailing at the bottom of a well, considerably complicate the use of more efficient means for mounting the rotor in the stator. . It is known that such mounting means require at least lubrication of moving mechanical parts. Under the conditions described above, tight and temperature-resistant assemblies would therefore be necessary to preserve the fluid lubricating the mechanical means, pollution by the effluent produced.
La présente invention fournit une solution à ce problème technique en permettant l'injection, à partir de la surface, d'un fluide lubrifiant circulant à travers les moyens de montage mécanique du rotor. The present invention provides a solution to this technical problem by allowing the injection, from the surface, of a lubricating fluid circulating through the mechanical mounting means of the 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. ll est rappelé que le débit fourni par une pompe volumétrique rotative est sensiblement proportionnel à la vitesse de rotation du rotor. In addition, according to a variant of the present invention, it is also possible to add to these mounting means a speed multiplier mechanism for the rotation of the rotor, relative to the speed of rotation of the rods. Thus, a greater pumping rate can be obtained with a reasonable speed for the rotation of the rods. It is recalled that the flow rate supplied by a rotary positive displacement pump is substantially proportional to the speed of rotation of the rotor.
Dans une autre variante, en particulier 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. In another variant, in particular when the effluent to be produced is a viscous fluid, the present invention can allow an improvement in the pumping efficiency by fluidizing the effluent by mixing it with the injected fluid to lubricate the mechanical mounting means.
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 comprenant au moins un stator, un rotor, des tiges reliant la pompe à la surface. 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. The present invention therefore relates to a system for pumping an effluent produced by a geological formation in the bottom of a well. The system includes a pump comprising at least one stator, a rotor, rods connecting the pump to the surface. The rods set in rotation by surface means, rotate the rotor to pump the effluent and push it back to the surface.
La pompe comporte des moyens mécaniques de maintien et de transmission, coopérants avec les tiges, le rotor et le stator. Les tiges sont adaptées à permettre l'injection, à partir de la surface, d'un fluide circulant à travers les moyens mécaniques. The pump comprises mechanical means for holding and transmission, cooperating with the rods, the rotor and the stator. The rods are adapted to allow injection, from the surface, of a fluid flowing through the mechanical means.
Les moyens mécaniques peuvent comporter des moyens de liaison et de guidage du rotor par rapport au stator. The mechanical means may include means for connecting and guiding the rotor relative to the stator.
Les moyens mécaniques peuvent comporter des moyens de transmission de la rotation entre les tiges et le rotor, par exemple un joint universel. The mechanical means may include means for transmitting the rotation between the rods and the rotor, for example a universal joint.
Les moyens de transmission 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. The transmission means may include a speed multiplier adapted to allow the rotor to be driven in rotation at a speed greater than the speed of rotation of the rods.
Le fluide peut être adapté à assurer une lubrification et éventuellement un refroidissement desdits moyens mécaniques. The fluid can be adapted to provide lubrication and possibly cooling of said mechanical means.
Le stator de la pompe peut coopérer avec des moyens d'étanchéité liés à une colonne de tubes. L'aspiration et le refoulement de la pompe peuvent se trouver de part et d'autre des moyens d'étanchéité et l'effluent refoulé peut remonter vers la surface par l'espace intérieur de ladite colonne. The stator of the pump can cooperate with sealing means linked to a column of tubes. The suction and discharge of the pump can be located on either side of the sealing means and the discharged effluent can rise to the surface through the interior of said column.
Le fluide injecté par les tiges peut être adapté à fluidifier l'effluent refoulé par la pompe, par exemple du kérosène ou du gasoil. The fluid injected by the rods can be adapted to fluidize the effluent discharged by the pump, for example kerosene or diesel.
Le fluide peut se mélanger avec ledit effluent dans le voisinage du refoulement de la pompe. The fluid can mix with said effluent in the vicinity of the pump discharge.
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 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,
- 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. Other characteristics and advantages of the system according to the invention will appear better on reading the following description of embodiments described by way of nonlimiting examples, with reference to the appended drawings where:
FIG. 1 diagrammatically represents a pumping system according to the invention,
FIG. 2 represents a positive displacement pump equipped with mechanical means,
FIG. 3 represents a variant of the pumping system comprising a speed multiplier,
FIG. 4 illustrates the surface means allowing the rotational driving of rods, the injection of the lubricating fluid and the return of production,
- Figure 5 shows an embodiment of a slide intended to be integrated into the rods.
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. In FIG. 1, a well 1 reaches a geological formation producing an effluent containing hydrocarbons. The pressure prevailing in the formation is too low for the effluent to rise to the surface. The producing formation is said to be non-eruptive. The production scheme therefore requires the implementation of an effluent pumping system.
Par effluent, il faut comprendre l'ensemble des fluides présents dans le puits 1. By effluent, it is necessary to understand all the fluids present in well 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.In the case where the hydrocarbon, contained in said formation, is viscous, it is possible to inject water vapor, or other fluids, to thin the hydrocarbon in order to promote its flow. In this case, the effluent contains a fairly large amount of water or water vapor, relative to the volume of hydrocarbon. This large volume of effluent imposes a pumping capacity greater than that which would be necessary to treat the volume of the hydrocarbon alone.
Le puits 1 est équipé d'une de colonne tubulaire 2, dont l'extrémité inférieure plonge dans Effluent. L'espace annulaire, défini entre le puits 1 et l'extérieur 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. Well 1 is fitted with a tubular column 2, the lower end of which dips into Effluent. The annular space, defined between the well 1 and the outside of the column 2, can be closed or not by a sealing system of the packer type. The main role of column 2, generally called "production column", is to channel production from the bottom to the ground surface by means of its internal duct.
Un système de pompage 3 est positionné dans la colonne 2 par le 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 5 permet l'admission de l'effluent dans la pompe 6. A pumping system 3 is positioned in the column 2 by means of a seat 4. The seat 4 has at least the function of fixing the stator of the pump 6 longitudinally and in rotation, of effecting a seal between the body of the pump 6 and the column 2. An opening 5 allows the admission of the effluent into the pump 6.
Une ouverture 7 permet la sortie de l'effluent refoulé dans l'intérieur 8 de la colonne 2. Les flèches 9, 10 et 11 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 l'aide des figures 2 et 3.An opening 7 allows the discharge of the effluent discharged into the interior 8 of the column 2. The arrows 9, 10 and 11 indicate the path of the effluent
The pumping system comprises mechanical means 13 which will be detailed later in the present description with the aid of FIGS. 2 and 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. A lining of rods 12 is linked to the mechanical means 13 by its lower end, the upper end situated at the surface cooperates with means 14 which are detailed in FIG. 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 celleci ait déjà été assemblée. La remontée du système s'effectuant par une opération inverse. The pumping system 3 is put in place on the seat 4 by assembling the lining of rods 12 in the interior space 8 of the column 2, preferably after this has already been assembled. The ascent of the system is effected by a reverse operation.
Les tiges 12 sont creuses pour permettre l'injection d'un fluide suivant le trajet des flèches 15. The rods 12 are hollow to allow the injection of a fluid along the path of the arrows 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. The rotation drive of the lining of the rods 12 causes the rotation of the rotor (not shown in this figure) of the pump 6 thanks to the cooperation of the mechanical means 13. These mechanical means are traversed by the fluid injected by the rods 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. Figure 2 shows an embodiment of the pump of the pumping system according to the invention. Column 2 comprises a receptacle or seat 4 screwed above an effluent intake device 16, the device 16 possibly being a liquid / gas static separator, for example that described in patent FR-2656652. In the case of the presence of free gas in the effluent, the annular space between the column 2 and the well 1 is used to channel the gas to the 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.On the end of the body 17 (stator) of the pump, is fixed a part 18 complementary to the seat 4. The cooperation of the part 18 and of the seat 4:
fixed in rotation the body 17 (stator) relative to the column 2,
- longitudinally fixes the pump in column 2 (a reversible locking means can be added),
- isolates the annular space 8 from the effluent on admission by the sealing means 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.The body of the stator 17 of the pump comprises at its upper part mechanical means 13 performing at least the following functions:
- guiding in rotation and longitudinal fixing by bearings 22,
- transmission of the rotation of the rods 12 to the rotor 20 by couplings 24 and 25,
- flexible connection 21, for example a universal joint of the universal joint type, when the rotor of the type of pump used is driven in addition to the rotation of a radial nutation movement.
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 l'espace annulaire 8. The body of the stator 17 of the pump comprises, substantially at its upper part, orifices 23 for discharging the effluent discharged by the pump. These orifices 23 communicate with the annular space 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. Ceuxci 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 l'effluent refoulé par la pompe avant de sortir par les orifices 23 vers l'espace annulaire 8. The internal channel 26 of the rods 12 communicates with the discharge orifices 23 via a channel 19 opening at 50 at the level of the mechanical bearings 22. These are not leaktight, thus allowing the circulation of the fluid injected by the rods 12 through the bearings 22 preferably made up of ball or roller bearings, thus effecting lubrication and / or cooling of the moving parts by bubbling. The fluid injected through the channel 19 flows to the orifices 23 where it mixes with the effluent discharged by the pump before exiting through the orifices 23 towards the annular space 8.
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, la capacité de ce fluide à diminuer de façon sensible les frottements mécaniques provoqués par les mouvements dynamiques. En effet, on pourra injecter par 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. The injected fluid is chosen so that its lubricating power is sufficient to ensure an acceptable longevity of the mechanical means 19. By lubricating power, it should be understood here, the capacity of this fluid to significantly reduce the mechanical friction caused by dynamic movements. In fact, it is possible, for example, to inject kerosene, diesel oil, an emulsion containing crude oils or water containing certain additives. Advantageously, the circulation of the fluid in the mechanical means makes it possible to control the cooling of the mechanical means.
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. The type of pump can be of any rotary volumetric type. Preferably, and taking into account the industrial field concerned, the pump is of the MOINEAU type.
Le fluide injecté par les tiges 12 est mélangé avec l'effluent refoulé par la pompe, au voisinage en amont des orifices 23. The fluid injected by the rods 12 is mixed with the effluent discharged by the pump, in the vicinity upstream of the 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. FIG. 3 illustrates a variant according to the invention, where there is interposed between the coupling 24 and the bearings 22, a speed multiplier 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. Since the design of this speed multiplier is within the reach of a person skilled in the art who knows mechanics, it will not be detailed in the present description. The multiplier coefficient is preferably between 1 and 5.
De même que les paliers 22, le multiplicateur de vitesse 28 est traversé par le fluide injecté par les tiges 12. Like the bearings 22, the speed multiplier 28 is crossed by the fluid injected by the rods 12.
La figure 4 montre l'installation de surface 14 du système selon l'invention. FIG. 4 shows the surface installation 14 of the system according to the invention.
L'extrémité supérieure de la colonne 2 comporte une sortie latérale 29 permettant la collecte de l'effluent pompé par ledit système.The upper end of the column 2 has a lateral outlet 29 allowing the collection of the effluent pumped by said system.
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. A rotary injection head 30 is screwed onto the end of the column 2. The injection head 30 comprises a movable part in rotation 31 on which the upper rod 12 is assembled. Bearing stops equip the mechanical mounting of the part 31 in the body of the head 30. The movable part 31 has a conduit placing the interior of the rods 12 in communication with the lateral outlet 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. A shaft 33, fixed on the top of the movable part 31, can be driven in rotation by any known means and conventionally used on well exploitation sites.
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. I1 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. FIG. 5 illustrates a slide for adapting the length of the rod lining 12. In fact, the bottom conditions can vary the length of the rod lining between the pump and the surface installation. The packing being in rotation to activate the pumping, it is recommended that the rods do not undergo buckling. I1 must therefore incorporate into the rod lining one or more telescopic elements allowing the elongation of the lining, or its shortening, and this without developing significant axial stresses.
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. For this, the slide is interposed between two rods 12 by the fittings 35 and 34. The example slide comprises a body 42 on which a shaft 41 is integrally assembled. Longitudinal grooves 38 are machined in the internal bore of the body 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 l'extérieur de la coulisse.A shaft 40 comprising keys 39 is mounted in the body 42. The keys 39 and the grooves 38 have complementary shapes so that the shaft 40 can slide longitudinally in the body 42 over the entire stroke H. The slide thus allows transmission rotation while leaving an axial clearance corresponding to the length H. Sealing means 37 prevent communication between the interior space and the exterior of the slide.
L'invention ne se limite pas à une coulisse de ce type. The invention is not limited to a slide of this 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. In the case where the effluent has a relatively high viscosity, the pressure drops in the annular space 8 can disturb the pumping efficiency. In the context of the present invention, the abovementioned drawback can be minimized by using, for the lubricating fluid injected by the rods 12, a fluid also capable of fluidizing the effluent. Thus, a viscous and / or high density effluent will create less pressure drop in the production duct if its viscosity and / or its density are reduced by mixing with the fluid injected by the rods.
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