WO2006123045A2 - Installation de pompage de liquide en fond de puits - Google Patents

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WO2006123045A2
WO2006123045A2 PCT/FR2006/001087 FR2006001087W WO2006123045A2 WO 2006123045 A2 WO2006123045 A2 WO 2006123045A2 FR 2006001087 W FR2006001087 W FR 2006001087W WO 2006123045 A2 WO2006123045 A2 WO 2006123045A2
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pump
piston
valves
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sleeve
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Jean-Jacques Bougy
Georges Chastang
Thierry Kunc
Ronan Pelleau
Jean-Louis Beauquin
Bernard Doremus
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Bertin Technologies
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Publication date
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Publication of WO2006123045A3 publication Critical patent/WO2006123045A3/fr
Publication of WO2006123045A8 publication Critical patent/WO2006123045A8/fr

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    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
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    • F04B17/046—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the fluid flowing through the moving part of the motor
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    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth

Definitions

  • the invention relates to a downhole pumping installation, in particular an oil well, this installation comprising a linear electric motor and a valve pump whose piston is driven by the electric motor, the assembly formed by the engine and by the pump being submerged at the bottom of the well.
  • the present invention is intended to meet this need.
  • It relates to an installation of the aforementioned type, comprising an electric motor-pump assembly submerged downhole and whose components subject to the risk of wear and failure are arranged and grouped to be removed from the well and down to the bottom easily and quickly by means of a lifting cable and without it being necessary to extract the casing put in place in the well.
  • the invention also relates to an installation of the aforementioned type, which can be put into place in a well which is not perfectly rectilinear and vertical, but which can incline more or less obliquely to the vertical, irregularly from the surface.
  • a liquid pumping installation at the bottom of a well, in particular an oil well comprising a linear electric motor and a valve pump which are immersed at the bottom of the well, the engine comprising a stator carried by a casing installed in the well and a displaceable movable element in reciprocating movement, and the pump comprising a cylindrical body carried by the aforementioned casing and a piston connected to the movable motor and driven by the latter, characterized in that the moving element of the motor is guided in displacement in an upper part of a cylindrical sleeve which extends axially inside the stator of the motor and the body of the pump, the lower part of the sleeve serving to guide the piston of the pump and carrying the valves of the pump, this lower part of the sleeve being solidarisable by controlled means of locking with the body of the pump and being uncoupled sand by controlling the locking means to allow to bring back to the surface the sleeve as well as the movable engine and the piston and
  • the installation according to the invention makes it possible to surface only the moving components of the motor and the pump, leaving their fixed components in the well, so that this rise can be done quickly and simply by means of a cable hoist hooked by conventional means to the upper end of the movable engine.
  • the upper part of the sheath is sealed from its lower part and from the surrounding space and contains a lubricating agent.
  • passageways to the surface of the pumped liquid are formed around the upper part of the sleeve in the stator of the motor and over the entire length thereof.
  • the motor stator comprises two coaxial cylindrical tubes respectively internal and external, between which are disposed electrical coils surrounding the inner tube, and parallel tubes for passage of the pumped liquid, distributed around the coils between them and the outer tube.
  • the moving motor unit advantageously comprises a central tube carrying a series of permanent magnets and reciprocating displacement guide means in the upper part of the sleeve, this central tube also forming a passageway for the pumped liquid.
  • This central tube is made of magnetic material, for example soft iron.
  • the sheath is nonmagnetic material, for example titanium.
  • the piston of the pump is tubular and fixed by resilient latching means on a cylindrical end of a piston rod connected to the movable engine element, this end being disconnected from the piston of the pump in a direction of movement when the force applied to the piston exceeds a predetermined limit value and then forming a piston of a hydraulic damper whose cylindrical body is formed by the piston of the pump.
  • the tip disconnected from the piston of the pump is automatically resolidarized to this piston by resilient snapping, during movement of the piston rod in the opposite direction.
  • the pump of the installation according to the invention is advantageously a double-acting pump and its piston is moved in reciprocating motion between an upper set of valves and a lower set of valves, each set of valves delimiting with a piston end a volume pump in the sheath and comprising at least a first valve mounted in a pumping volume filling passage and at least one second valve mounted in opposite direction of the first valve in an outlet passage of the pumping volume.
  • the first valve of each set is mounted in an axial passage and comprises a central annular closing head of this passage, this valve being leaktightly traversed by the piston rod.
  • Each set of valves comprises a plurality of second valves mounted in outlet passages arranged around the axis of the pump, these outlet passages being in the same transverse plane for each set of valves and the second valves being ball valves.
  • the outlet passages are grouped in a portion of the annular space between the piston rod and the sleeve, the remainder of this annular space forming a housing for receiving a projecting portion of the corresponding end of the piston, to reduce the dead volume at the end of the stroke of the piston.
  • the linear electric motor of the installation according to the invention can have a relatively large length, for example of about thirty meters in an exemplary embodiment, and it is therefore advantageous that the sheath and the moving element of this electric motor are formed of modular elements connected end to end by screwed connections, these elements each having a length of for example ten to twelve meters, for easy transport and handling.
  • an airlock is constituted in the upper part of the casing of the well to accommodate the entire mobile equipment.
  • This lock is located between the well head and a remotely controlled valve, placed at a depth slightly greater than the length of the moving element, for example at about 40 meters below the wellhead. After raising the mobile equipment in the area of the airlock, the valve is closed to seal the well and allow successive disconnections of the various modular elements in safety. The reverse operation is performed during the introduction of the mobile assembly into the well.
  • the presence of this airlock associated with a mobile assembly with modular elements has the advantage of limiting the height of the tools to be placed above the wellhead to a value close to that of the length of the various modular elements of the crew mobile.
  • FIG. 1 is a schematic axial sectional view of an oil well equipped with an installation according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic and simplified view of this installation
  • FIGS 3, 4 and 5 are schematic views in axial section of an embodiment of the installation and respectively represent the lower part of the electric motor, the upper part and the lower part of the pump;
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the electric motor
  • FIG. 7 is a schematic view in axial section, on a larger scale, of a set of valves of the pump;
  • - Figure 8 is a schematic cross-sectional view along line VI U-VI 11 of Figure 7;
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the means of anti-rotation guide of the piston rod of the pump.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the pump along line X-X of FIG. 5 and FIG. 7;
  • FIG. 11 is a schematic half-view in axial section of the anchoring means of the lower part of the sheath
  • FIGS. 12 and 13 are schematic views of a bypass valve installed in the installation according to the invention, and shown in the open position in Figure 12 and in the closed position in Figure 13.
  • FIG. 1 to generally describe the structure of an oil well and a pumping installation according to the invention, this well being drilled from the surface of the ground to a great depth, for example 1500 meters, and comprising a casing 12 formed by a series of cylindrical tubes placed end to end, having for example an outer diameter of 9 inches (228.6mm).
  • the lower end of this casing is equipped with a tube 14 of smaller diameter, for example 7 inches (177.8mm) which extends into an oilfield 16 and whose lower end has inlet ports petroleum effluents that tend to rise inside the tube 14 to the surface.
  • a casing 18 with an external diameter of 3.5 inches (88.9 mm) for example extends from the surface to the vicinity of the oil reservoir inside the casing 12 and the tube 14 and is immobilized in a sealed manner. in the lower part of the tube 14 by means of a closure member 20 commonly called "packer" which prevents upwellings of oil effluents and forces them to pass inside the casing 18, whose upper end is connected to a wellhead 22 of a conventional type.
  • the casing 18 is connected to a liquid pumping facility facilitating the return of the oil effluents to the well head 22, this installation essentially comprising a linear electric motor 24 supplied with electrical energy since the surface and a pump 26 driven by the motor 24 and located immediately below or upstream thereof.
  • the installation according to the invention is represented in a simplified manner in FIG. 2 where the cylindrical tube 14 which extends to the oil reservoir is found, the sealing member 20 mounted between the tube 14 and the casing 18, the electric motor 24 and the pump 26.
  • the electric motor 24 is a linear motor, comprising a movable element 28 displaceable in reciprocating motion in a stator 30, the moving element 28 essentially comprising a central tube 32 carrying a series of permanent magnets 34 and reciprocating axial displacement guiding means in the upper part of a cylindrical sheath 36 extending axially inside the casing 18 and the stator 30, fixedly relative thereto.
  • the stator 30 comprises a series of electric coils 38 superimposed along the axis of the motor and housed between an inner cylindrical tube and a coaxial outer cylindrical tube, the inner cylindrical tube having substantially the same dimensions as the casing 18 and being carried by this one.
  • the pump 26 is a piston and valve pump, double acting, the piston 40 of the pump being carried by an axial rod connected to the movable engine and guided reciprocating in a sealed manner in the lower part of the sheath 36 between a lower set of valves 42 and an upper set of valves 44, the lower part of the piston rod extending below the pump 26 and being guided axially by means 46 which may also constitute means for immobilizing the valve.
  • the piston rod rotating about its axis, the lower end of this rod having means 48 of end of stroke damping.
  • the lower end of the sheath 36 comprises means 50 for locking or anchoring on the body of the pump, these means 50 being shown in more detail in FIG. 9 and being hydraulically controlled from the surface.
  • the set of moving components of the electric motor 24 and the pump 26 is contained inside the sheath 36 or carried by it and can be brought up to the surface with the latter by means of a lifting cable CL of a conventional type descended from the surface and of which the lower end can be hooked on the upper end of the moving assembly 28 of the electric motor by means of a conventional system.
  • the structure of the electric motor 24 is represented in the upper part of FIG. 3, where it can be seen that the central tube 32 comprises, on its outer surface, a series of parallel annular ribs 52 for positioning the permanent magnets 34, some of these ribs serving to support guide rings 54 inside the sheath 36.
  • the lower end 56 of the central tube 32 is widened and guided in sealing in the sheath 36.
  • This lower end 56 is connected by attachment means 58 to the upper end of a cylindrical rod 60 which extends axially towards down to the piston 40 of the pump 26, in which its lower end is connected by a screwed end 62 to the upper end of an axial cylindrical rod 64 of the same diameter which extends downwards beyond the lower set of valves 42 of the pump 26.
  • the upper part of the sheath 36 extends inside a cylindrical tube 66 which extends substantially in the extension of the casing 18 and which forms the inner tube of the stator of the motor around which the electric coils 38 are mounted.
  • coils 38 are supported by comb-shaped radial elements 70 which extend between the inner tube 66 and the outer tube 72 of the stator.
  • These radial elements 70 are for example six in number (FIG. 6) and between them there are compartments in which tubes 74 for the passage of pumped effluents extend, these tubes being for example two in each compartment. the exception of one of these compartments which is reserved for the passage of the electrical cables for supplying the stator coils.
  • the tubes 74 are located between the inner surface of the outer tube 72 and the outer periphery of the coils, the inner periphery of which is in contact with the inner tube 66 of the stator.
  • the tubes 74 open into the upper end of the sheath 36 like the central tube 32, and the pumped effluents pass through the casing 18 to go up to the wellhead 22.
  • An annular means seal is mounted around the upper end of the central tube 32, between the latter and the upper end of the sleeve 36 to prevent the pumped effluents from entering the annular space which is defined in the motor 24 by the central tube 32 and the sheath 36 and which is closed at its lower end by the enlarged base 56 of the central tube 32.
  • This annular space is advantageously filled with a lubricating agent such as a suitable oil, to reduce friction at inside the sleeve 36 during operation of the engine.
  • the central tube 32 is made of magnetic material, for example soft iron, while the sheath 36 and the inner tube 66 of the stator are of non-magnetic material, for example titanium.
  • the outer tube 72 of the stator is typically made of steel.
  • the lower end of the stator of the motor is closed by an annular tip 76 having passages (not shown) for feeding the tubes 74 and which is connected by a screw connection 78 to a cylindrical tip 80 mounted at the upper end of two coaxial tubes 82 and 84 respectively inner and outer which define the body of the pump, in which extends the lower portion of the sleeve 36.
  • Radial partitions 86 are mounted between the inner tube 82 and the outer tube 84 and define four parallel longitudinal channels between the tubes 82 and 84, these channels being able to communicate with each other through orifices 88 formed in those parts of the radial partitions which extend over the set of upper valves 44 and below the lower set of valves 42 of the pump, the intermediate portions of the radial partitions 86 being devoid of these orifices.
  • the piston 40 of the pump consists essentially of a cylindrical sleeve 90 connected to the coupling 62 of the axial rods 60 and 64 and movably mounted to seal inside the sleeve 36.
  • the lower end of the sleeve 90 is itself mounted to sealing on the axial cylindrical rod 64 while the upper end of this sleeve is mounted on the axial rod 60 by means of a sliding seal 92.
  • the coupling 62 is immobilized in translation relative to the cylindrical sleeve 90 by two locking sleeves 67 and 68 carrying fingers spring-loaded within the internal annular grooves 69 of the sleeve 90.
  • Two pumping volumes 94 and 96 respectively are defined between the ends of the piston 40 and the bottom valve sets 42 and upper 44, inside the sheath 36.
  • the space inside the piston 40 on either side of the connector 62 is filled with clean oil.
  • the coupling 62 and the two sleeves 67 and 68 are unlocked.
  • the connector 62 acts as the piston of a hydraulic damper through the presence of a calibrated orifice therethrough and allowing the flow of clean oil between the chambers located on either side.
  • the connector 62 and the two sleeves 67 and 68 are then returned to the nominal position locked by the engine.
  • the locking in the sleeve 90 is ensured by the spring effect of the fingers of the sleeves 67 and 68.
  • the device thus provides mechanical protection by limiting the internal dynamic mechanical forces to the sheath 36.
  • the lower set of valves 42 (FIGS. 7 and 8) essentially comprises a tubular cylindrical body 98 having substantially the same inside and outside diameters as the sleeve 36 and whose ends are fixed to upper and lower portions respectively of the sleeve 36.
  • a first valve 100 mounted axially inside the body 98 and having an annular head 102 intended to be applied on a seat 104 formed by an annular shoulder of the inner surface of the body 98.
  • the flap 100 is tubular and sealingly traversed, by means of a labyrinth seal by the piston rod 64 and is intended to open and close a filling passage of the pumping volume 94, this filling passage extending between orifices 105 formed in the body 98 below the seat 104 and a space 106 formed inside the body 98 above the seat 104, about 180 ° about the axis of the body 98.
  • This lower set of valves 42 also comprises second valves formed by balls 108, four in number in the example shown, which are mounted in the outlet passages of the pumping volume 94, these outlet passages comprising a cylindrical portion 110. extending parallel to the axis of the body 98 and having a bearing seat of a ball 108 at their lower end, these passages 110 communicating at their upper end with radial orifices 112 of the tube section and opening to the outside the body 98.
  • the second valves formed by the balls 108 housed in the passages 110 are distributed around the axis of the body 98 over 180 ° for example and occupy a
  • the upper set of valves 44 has substantially the same configuration as the lower set of valves 42 but is mounted in the other direction, so that the second ball valves 108 are in the two sets of valves between the first valve 100 and the corresponding end of the piston 40.
  • the ends of the piston 40 each comprise one (or more) projecting semi-cylindrical portion 114 which is received, at the end of the stroke of the piston, in the semi-cylindrical space 106 left free by the second valves at the corresponding end of the body 98, to reduce as much as possible the dead volume at the end of the stroke of the piston.
  • the bottom valve sets 42 and 44 are located at transverse bulkheads arranged in the pump body between the tubes 82 and 84 to share the longitudinal channels delimited by the radial partitions 86, in three superposed channel stages, these stages communicating with each other. through valve sets 42 and 44.
  • the lower set of valves 42 communicates, through the orifices 105 of the body 98 and through the passages 110 and the radial orifices 112, the longitudinal channels which are below this set of valves with the longitudinal channels which are located above, this communication is done through the pumping volume 94 which is filled with effluents at the opening of the first valve 100 and emptied of its effluents at the opening of the second valves 108.
  • the upper set of valves 44 communicates in two stages, through the valves and the pumping volume 96, the portions of the longitudinal channels defined by the radial partitions 86 which are between the two sets of valves, with the portions of these longitudinal channels that extend upward above the upper valve set 44.
  • the radial partitions 86 are devoid of communication orifices 88 between the levels of two sets of valves, and delimit between the tubes 82 and 84 of the longitudinal channels isolated from each other and of which two, diametrically opposed, are used to passage of effluents discharged through the passages 110, 112 of the lower set of valves, during the descent of the piston and the other two are used for the suction of the effluent during the ascent of the piston.
  • the lower end of the piston rod 64 is associated with anti-rotation guiding means, which are shown in cross-section in FIG. 9. These means comprise a plate 65 formed on part of the cylindrical surface of the rod 64, and a ring 37 forming part of the sleeve 36 and whose inner cylindrical surface has a plate corresponding to that of the rod 64.
  • means shown diagrammatically in FIG. 10 are provided to guarantee the passage of the effluents between the orifices formed in the body of the pump and the corresponding orifices formed in the sheath 36 or the elements which form part of it, and in particular the tubular bodies 98 Valve sets 42 and 44.
  • annular chamber 113 is formed around the orifices 112 in the inner tube 82 of the pump body and extends 360 ° about the axis of the pump.
  • This annular chamber communicates with the longitudinal channels formed by the partitions 86 between the tubes 82 and 84 of the pump body, so that the angular position of the sleeve 36 and the tube sections 98 carrying the valves has no influence on pumping effluents.
  • hydraulic anchoring means 50 shown in detail in FIG. 11 and which comprise a cylinder 118 whose end upper is secured to the lower end of the sleeve 36 and whose lower end is closed by a bottom 120, and a piston 122 mounted sliding sealingly in the cylinder 118 and biased downwardly by a return spring 124 mounted between it piston 122 and the lower end of the sleeve 36.
  • a hydraulic control line 126 extends from the surface and passes into the tubular tip 116 of the pump body to open into the cylinder 118, between the bottom 120 thereof and the piston 122.
  • Anchoring or locking members or segments 128 are mounted in orifices or in a groove of the cylinder 118 to be pushed radially outward in a groove in the inner surface of the tubular tip 116 of the pump body by the piston 122 when a hydraulic fluid under pressure is introduced into the bottom of the cylinder 118 from the surface.
  • the spring 124 urges the piston 122 towards the bottom 120 of the cylinder 118 which allows the removal of the locking members or segments 128 in the orifices or the throat of the wall of the cylinder 118 and releases the lower end of the sheath 36.
  • the lower end of the sheath 36 can be locked and anchored in the pump body as long as the means 50 are supplied with liquid under pressure by this control line 126, and is automatically unlocked in the event of a pressure drop in this line. control.
  • This unlocking allows the removal of the sleeve 36 from the well, by means of a lifting cable whose lower end is hooked to the upper end of the movable motor of the electric motor.
  • This flow valve is shown open in FIG. 12 and closed in FIG. 13 and essentially comprises flow pipe closure members 130 passing through an annular element 134 traversed axially by the piston rod 60, the shut-off members 130 being carried and guided by another annular element 136 mounted under the element 134 and connected to the hydraulic control line 126.
  • the pressure in the line 126 acts on the lower end of the closure elements 130 which are pushed into their closed positions of the flow conduits 132 of the annular element 134. In the event of a pressure drop, shutter 130 deviate from the lower ends of the flow conduits 132.
  • the opening of these ducts allows a balancing of the pressures above the valve (for example 200 bar) and below the valve (for example 50 bar) and the oil effluents above the pump and the engine can s flow down through the conduits 132 and corresponding conduits 138 passing through the annular element 136, without opposing the recovery of the sleeve 36, the movable motor 24, the piston 40 of the pump 26 and 42 and upper valve clearance 44, anchoring means 50 and the flow valve formed by the conduits 132 and 138 and the shut-off members 130.
  • the rise of the sleeve 36 is also facilitated by the presence of orifices in the tube 82 allowing the flow of fluid present above the pump to the bottom of the pump.
  • the flow orifices in the tube 82 are located on its periphery between the top of the pump and the anchoring means 50. The operation of this installation is as follows.
  • the power supply of the electric motor 24 produces an alternating movement of the moving element formed by the central tube 32 and the permanent magnets 38 to the inside the sheath 36, this reciprocating movement being transmitted by the axial rod 60 to the piston 40 of the pump 26.
  • the reduction of dead volumes at the end of the piston stroke makes it possible to pump effluents containing gases.
  • the installation formed by the motor and the pump is located 1500 meters below the surface, the stator of the electric motor has a total length of 34 meters, the body of the pump has a length 8 meters, the sheath 36 has a total length of 42 meters, the stroke of the piston of the pump is about 1, 9 meters and its movement frequency is 0.5 Hz.
  • the pressure rise of the effluents in the pump is about 150 bar and the electric motor generates a force of about 50000 N.
  • the weight of the casing 18 with a length of 1500 meters is supported by the stator of the electric motor which is itself supported by the means
  • the sleeve 36 has an outside diameter of 69 mm and an internal diameter of 64 mm and is housed in the inner tube 66 of the stator of the motor, whose inside diameter is 71 mm.
  • the assembly formed by the sheath 36, the moving element of the electric motor and the moving components of the pump has a weight of the order of 10000 N and can be extracted from the well by means of a standard lifting cable, provided to be used with loads of about 60000 N maximum.
  • the intermediate tubular device which provides protection and centering between the casing 18 and the sheath 36 is arranged to allow, during the ascent of the sheath 36, the flow of the effluents located at the outlet of the pump towards the inlet of the pump .

Abstract

Installation de pompage de liquide au fond d'un puits, en particulier d'un puits pétrolier, comprenant un moteur électrique linéaire (24) et une pompe (26) à clapets dont le piston (40) est entraîné en mouvement alternatif par l'équipage mobile du moteur électrique, cet équipage mobile et le piston (40) de la pompe étant guidés dans un fourreau cylindrique (36) s'étendant axialement à l'intérieur du stator du moteur électrique et du corps de la pompe, ce fourreau et les composants du moteur et de la pompe qu'il contient pouvant être remontés en surface au moyen d'un câble de levage accroché à l'extrémité supérieure de l'équipage mobile du moteur (24).

Description

Installation de pompage de liquide en fond de puits
L'invention concerne une installation de pompage en fond de puits, en particulier d'un puits de pétrole, cette installation comprenant un moteur électrique linéaire et une pompe à clapets dont le piston est entraîné par le moteur électrique, l'ensemble formé par le moteur et par la pompe étant immergé en fond de puits.
On a déjà proposé d'assister la remontée en surface des hydrocarbures depuis le fond d'un puits au moyen d'une pompe à moteur électrique installée au fond du puits. Comme les effluents à remonter en surface sont naturellement agressifs et corrosifs, les risques de détérioration des câbles électriques et de courts-circuits électriques, d'usure mécanique et de rupture de pièces de la pompe et du moteur sont relativement importants et il faut que la pompe et le moteur ou au moins certains de leurs composants puissent être remontés à la surface à des fins de maintenance, cette opération de remontée devant être aussi simple et rapide que possible pour réduire les coûts et les durées d'arrêt de production du puits et pour être réalisable avec un câble de levage, sans matériel lourd qu'il faudrait faire venir et installer sur place. Pour augmenter la durée de service de cette installation entre les opérations de maintenance, il est également souhaitable de protéger autant que possible certains composants de la pompe et du moteur, en évitant de les mettre en contact avec les effluents pétroliers.
La présente invention a notamment pour but de répondre à ce besoin.
Elle a pour objet une installation du type précité, comprenant un ensemble moteur électrique-pompe immergé en fond de puits et dont les composants soumis aux risques d'usure et de panne sont agencés et regroupés pour pouvoir être retirés du puits et redescendus au fond facilement et rapidement au moyen d'un câble de levage et sans qu'il soit nécessaire d'extraire le tubage mis en place dans le puits.
L'invention a également pour objet une installation du type précité, qui puisse être mise en place dans un puits qui n'est pas parfaitement rectiligne et vertical, mais qui peut s'incliner plus ou moins en oblique par rapport à la verticale, de façon irrégulière depuis la surface.
Elle propose à cet effet une installation de pompage de liquide au fond d'un puits, en particulier d'un puits pétrolier, comprenant un moteur électrique linéaire et une pompe à clapets qui sont immergés en fond de puits, le moteur comprenant un stator porté par un tubage installé dans le puits et un équipage mobile déplaçable en mouvement alternatif, et la pompe comprenant un corps cylindrique porté par le tubage précité et un piston relié à l'équipage mobile du moteur et entraîné par celui-ci, caractérisée en ce que l'équipage mobile du moteur est guidé en déplacement dans une partie supérieure d'un fourreau cylindrique qui s'étend axialement à l'intérieur du stator du moteur et du corps de la pompe, la partie inférieure du fourreau servant au guidage du piston de la pompe et portant les clapets de la pompe, cette partie inférieure du fourreau étant solidarisable par des moyens commandés de verrouillage avec le corps de la pompe et en étant désolidarisable par commande des moyens de verrouillage pour permettre de ramener à la surface le fourreau ainsi que l'équipage mobile du moteur et le piston et les clapets de la pompe, au moyen d'un câble de levage accroché à l'extrémité supérieure de l'équipage mobile du moteur.
L'installation selon l'invention permet de ne remonter en surface que les composants mobiles du moteur et de la pompe, en laissant leurs composants fixes dans le puits, de sorte que cette remontée peut se faire rapidement et simplement au moyen d'un câble de levage accroché par des moyens classiques à l'extrémité supérieure de l'équipage mobile du moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la partie supérieure du fourreau est isolée de façon étanche de sa partie inférieure et de l'espace environnant et contient un agent de lubrification.
Ainsi, seuls les composants mobiles de la pompe (piston et clapets) sont au contact des effluents pétroliers et sont soumis à la corrosion, les composants mobiles du moteur en étant isolés et protégés, ce qui prolonge la durée de vie du moteur et réduit et simplifie les opérations de maintenance.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, des voies de passage vers la surface du liquide pompé sont formées autour de la partie supérieure du fourreau dans le stator du moteur et sur toute la longueur de celui-ci.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le stator du moteur comprend deux tubes cylindriques coaxiaux respectivement interne et externe, entre lesquels sont disposés des bobines électriques entourant le tube intérieur, et des tubes parallèles de passage du liquide pompé, répartis autour des bobines entre celles-ci et le tube extérieur.
L'équipage mobile du moteur comprend avantageusement un tube central portant une série d'aimants permanents et des moyens de guidage en déplacement alternatif dans la partie supérieure du fourreau, ce tube central formant également une voie de passage du liquide pompé.
Ce tube central est en matériau magnétique, par exemple en fer doux. Le fourreau est quant à lui en matériau amagnétique, par exemple en titane. Cet ensemble de voies de passage permet la remontée du liquide pompé, avec des pertes de charge minimales.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le piston de la pompe est tubulaire et fixé par des moyens d'encliquetage élastique sur un embout cylindrique d'une tige de piston reliée à l'équipage mobile du moteur, cet embout étant désolidarisé du piston de la pompe dans un sens de déplacement quand l'effort appliqué au piston dépasse une valeur limite prédéterminée et formant alors un piston d'un amortisseur hydraulique dont le corps cylindrique est formé par le piston de la pompe.
Avantageusement, l'embout désolidarisé du piston de la pompe est resolidarisé automatiquement à ce piston par encliquetage élastique, lors du déplacement de la tige de piston dans le sens opposé.
On évite ainsi des chocs violents du piston de la pompe en fin de course, en cas de perte de contrôle de position du moteur linéaire.
La pompe de l'installation selon l'invention est avantageusement une pompe à double effet et son piston est déplacé en mouvement alternatif entre un jeu de clapets supérieur et un jeu de clapets inférieur, chaque jeu de clapets délimitant avec une extrémité du piston un volume de pompage dans le fourreau et comprenant au moins un premier clapet monté dans un passage de remplissage du volume de pompage et au moins un second clapet monté en sens inverse du premier clapet dans un passage de sortie du volume de pompage. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le premier clapet de chaque jeu est monté dans un passage axial et comprend une tête annulaire centrale de fermeture de ce passage, ce clapet étant traversé à coulissement de façon étanche par la tige du piston.
Chaque jeu de clapets comprend plusieurs seconds clapets montés dans des passages de sortie agencés autour de l'axe de la pompe, ces passages de sortie étant dans un même plan transversal pour chaque jeu de clapets et les seconds clapets étant des clapets à billes.
Avantageusement, pour chaque jeu de clapets, les passages de sortie sont regroupés dans une partie de l'espace annulaire compris entre la tige de piston et le fourreau, le reste de cet espace annulaire formant un logement destiné à recevoir une partie en saillie de l'extrémité correspondante du piston, pour réduire le volume mort en fin de course du piston.
Le moteur électrique linéaire de l'installation selon l'invention peut avoir une longueur relativement importante, par exemple d'une trentaine de mètres dans un exemple de réalisation, et il est donc avantageux que le fourreau et l'équipage mobile de ce moteur électrique soient formés d'éléments modulaires reliés bout à bout par des raccords vissés, ces éléments ayant chacun une longueur de par exemple dix à douze mètres environ, pour faciliter leur transport et leur manipulation.
Pour assurer le raccordement bout à bout et la désolidarisation des différents éléments modulaires du fourreau et de l'équipage mobile du moteur, un sas est constitué en partie supérieure du cuvelage du puits pour accueillir l'ensemble de l'équipage mobile. Ce sas est situé entre la tête du puits et une vanne commandée à distance, placée à une profondeur légèrement supérieure à la longueur de l 'équipage mobile soit par exemple à 40 mètres environ en dessous de la tête de puits. Après remontée de l'équipage mobile dans la zone du sas, la vanne est fermée pour assurer l'étanchéité du puits et permettre les déconnexions successives des différents éléments modulaires en sécurité. L'opération inverse est effectuée lors de l'introduction de l'ensemble mobile dans le puits. La présence de ce sas associé à un ensemble mobile à éléments modulaires présente l'intérêt de limiter la hauteur des outillages à placer au-dessus de la tête de puits à une valeur voisine de celle de la longueur des différents éléments modulaires de l'équipage mobile.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un puits de pétrole équipé d'une installation selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique et simplifiée de cette installation ;
- les figures 3, 4 et 5 sont des vues schématiques en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'installation et représentent respectivement la partie inférieure du moteur électrique, la partie supérieure et la partie inférieure de la pompe ;
- la figure 6 est une vue schématique en coupe transversale du moteur électrique ;
- la figure 7 est une vue schématique en coupe axiale, à plus grande échelle, d'un ensemble de clapets de la pompe ; - la figure 8 est une vue schématique en coupe transversale selon la ligne Vl U-Vl 11 de la figure 7 ;
- la figure 9 est une vue en coupe transversale des moyens de guidage anti-rotation de la tige de piston de la pompe ;
- la figure 10 est une vue en coupe transversale de la pompe selon la ligne X-X de la figure 5 et de la figure 7 ;
- la figure 11 est une demi-vue schématique en coupe axiale des moyens d'ancrage de la partie inférieure du fourreau ;
- les figures 12 et 13 sont des vues schématiques d'une vanne de dérivation installée dans l'installation selon l'invention, et représentée en position ouverte en figure 12 et en position fermée en figure 13.
On se réfère d'abord à la figure 1 pour décrire de façon générale la structure d'un puits de pétrole et d'une installation de pompage selon l'invention, ce puits étant foré depuis la surface 10 du sol sur une grande profondeur, par exemple de 1500 mètres, et comprenant un cuvelage 12 formé par une série de tubes cylindriques placés bout à bout, ayant par exemple un diamètre extérieur de 9 pouces (228,6mm). L'extrémité inférieure de ce cuvelage est équipée d'un tube 14 de plus faible diamètre, par exemple 7 pouces (177,8mm) qui s'étend jusque dans un gisement pétrolifère 16 et dont l'extrémité inférieure comporte des orifices d'entrée des effluents pétroliers qui tendent à remonter à l'intérieur du tube 14 vers la surface. Un tubage 18 d'un diamètre extérieur de 3,5 pouces (88,9mm) par exemple s'étend depuis la surface jusqu'au voisinage du gisement pétrolifère à l'intérieur du cuvelage 12 et du tube 14 et est immobilisé de façon étanche en partie inférieure du tube 14 au moyen d'un organe d'obturation 20 appelé communément « packer » qui empêche les remontées d'effluents pétroliers et les obligent à passer à l'intérieur du tubage 18, dont l'extrémité supérieure est raccordée à une tête de puits 22 d'un type classique.
Un peu au dessus du joint 20, le tubage 18 est raccordé à une installation de pompage de liquide facilitant la remontée des effluents pétroliers jusqu'à la tête du puits 22, cette installation comprenant essentiellement un moteur électrique linéaire 24 alimenté en énergie électrique depuis la surface et une pompe 26 entraînée par le moteur 24 et située immédiatement en dessous ou en amont de celui-ci. L'installation selon l'invention est représentée de façon simplifiée en figure 2 où l'on retrouve le tube cylindrique 14 qui s'étend jusqu'au gisement pétrolifère, l'organe d'obturation étanche 20 monté entre le tube 14 et le tubage 18, le moteur électrique 24 et la pompe 26. Le moteur électrique 24 est un moteur linéaire, comprenant un équipage mobile 28 déplaçable en mouvement alternatif dans un stator 30, l'équipage mobile 28 comprenant essentiellement un tube central 32 portant une série d'aimants permanents 34 et des moyens de guidage en déplacement axial alternatif dans la partie supérieure d'un fourreau cylindrique 36 s'étendant axialement à l'intérieur du tubage 18 et du stator 30, de façon fixe par rapport à ces derniers.
Le stator 30 comprend une série de bobines électriques 38 superposées le long de l'axe du moteur et logées entre un tube cylindrique intérieur et un tube cylindrique extérieur coaxiaux, le tube cylindrique intérieur ayant sensiblement les mêmes dimensions que le tubage 18 et étant porté par celui-ci.
La pompe 26 est une pompe à piston et à clapets, à double effet, le piston 40 de la pompe étant porté par une tige axiale raccordée à l'équipage mobile du moteur et guidé en mouvement alternatif de façon étanche dans la partie inférieure du fourreau 36 entre un jeu de clapets inférieur 42 et un jeu de clapets supérieur 44, la partie inférieure de la tige du piston s'étendant en dessous de la pompe 26 et étant guidée axialement par des moyens 46 pouvant également constituer des moyens d'immobilisation de la tige de piston en rotation autour de son axe, l'extrémité inférieure de cette tige comportant des moyens 48 d'amortissement de fin de course.
L'extrémité inférieure du fourreau 36 comporte des moyens 50 de verrouillage ou d'ancrage sur le corps de la pompe, ces moyens 50 étant représentés plus en détail en figure 9 et étant à commande hydraulique depuis la surface.
Comme on le verra de façon plus détaillée dans ce qui suit, l'ensemble des composants mobiles du moteur électrique 24 et de la pompe 26 est contenu à l'intérieur du fourreau 36 ou porté par celui-ci et peut être remonté à la surface avec celui-ci au moyen d'un câble de levage CL d'un type classique descendu depuis la surface et dont l'extrémité inférieure peut être accrochée sur l'extrémité supérieure de l'équipage mobile 28 du moteur électrique au moyen d'un système classique.
Un mode de réalisation préféré de l'invention est représenté aux figures 3 à 13, auxquelles on se référera pour la suite de la description.
La structure du moteur électrique 24 est représentée en partie supérieure de la figure 3 où l'on voit que le tube central 32 comprend, sur sa surface extérieure, une série de nervures annulaires parallèles 52 de positionnement des aimants permanents 34, certaines de ces nervures servant au support d'anneaux 54 de guidage à l'intérieur du fourreau 36.
L'extrémité inférieure 56 du tube central 32 est élargie et guidée à étanchéité dans le fourreau 36. Cette extrémité inférieure 56 est raccordée par des moyens d'accrochage 58 à l'extrémité supérieure d'une tige cylindrique 60 qui s'étend axialement vers le bas jusqu'au piston 40 de la pompe 26, dans lequel son extrémité inférieure est raccordée par un embout vissé 62 à l'extrémité supérieure d'une tige cylindrique axiale 64 de même diamètre qui s'étend vers le bas au-delà du jeu de clapets inférieur 42 de la pompe 26.
La partie supérieure du fourreau 36 s'étend à l'intérieur d'un tube cylindrique 66 qui s'étend sensiblement dans le prolongement du tubage 18 et qui forme le tube intérieur du stator du moteur autour duquel sont montées les bobines électriques 38. Ces bobines 38 sont supportées par des éléments radiaux 70 en forme de peigne, qui s'étendent entre le tube intérieur 66 et le tube extérieur 72 du stator. Ces éléments radiaux 70 sont par exemple au nombre de six (figure 6) et déterminent entre eux des compartiments dans lesquels s'étendent des tubes 74 de passage des effluents pompés, ces tubes 74 étant par exemple au nombre de deux dans chaque compartiment à l'exception de l'un de ces compartiments qui est réservé au passage des câbles électriques d'alimentation des bobines du stator. Les tubes 74 sont situés entre la surface intérieure du tube extérieur 72 et la périphérie extérieure des bobines, dont la périphérie intérieure est au contact du tube intérieur 66 du stator.
A leurs extrémités supérieures, les tubes 74 débouchent à l'intérieur de l'extrémité supérieure du fourreau 36 comme le tube central 32, puis les effluents pompés passent dans le tubage 18 pour remonter jusqu'à la tête de puits 22. Un moyen annulaire d'étanchéité est monté autour de l'extrémité supérieure du tube central 32, entre celui-ci et l'extrémité supérieur du fourreau 36 pour empêcher les effluents pompés de s'introduire dans l'espace annulaire qui est délimité dans le moteur 24 par le tube central 32 et le fourreau 36 et qui est fermé à son extrémité inférieure par la base élargie 56 du tube central 32. Cet espace annulaire est avantageusement rempli d'un agent de lubrification tel qu'une huile appropriée, pour réduire les frottements à l'intérieur du fourreau 36 lors du fonctionnement du moteur.
Le tube central 32 est réalisé en matériau magnétique, par exemple en fer doux, tandis que le fourreau 36 et le tube intérieur 66 du stator sont en matériau amagnétique, par exemple en titane. Le tube extérieur 72 du stator est typiquement en acier. Comme on le voit en figure 3, l'extrémité inférieure du stator du moteur est fermée par un embout annulaire 76 comportant des passages (non représentés) d'alimentation des tubes 74 et qui est relié par un raccord vissé 78 à un embout cylindrique 80 monté à l'extrémité supérieure de deux tubes coaxiaux 82 et 84 respectivement intérieur et extérieur qui définissent le corps de la pompe, dans lequel s'étend la partie inférieure du fourreau 36. Des cloisons radiales 86, par exemple au nombre de quatre, sont montées entre le tube intérieur 82 et le tube extérieur 84 et définissent quatre canaux longitudinaux parallèles entre les tubes 82 et 84, ces canaux pouvant communiquer entre eux par des orifices 88 formés dans les parties des cloisons radiales qui s'étendent au dessus du jeu de clapets supérieur 44 et en dessous du jeu de clapets inférieur 42 de la pompe, les parties intermédiaires des cloisons radiales 86 étant dépourvues de ces orifices. Le piston 40 de la pompe est constitué essentiellement par un manchon cylindrique 90 relié au raccord 62 des tiges axiales 60 et 64 et monté mobile à étanchéité à l'intérieur du fourreau 36. L'extrémité inférieure du manchon 90 est elle-même montée à étanchéité sur la tige cylindrique axiale 64 tandis que l'extrémité supérieure de ce manchon est montée sur la tige axiale 60 par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité glissant 92. Le raccord 62 est immobilisé en translation par rapport au manchon cylindrique 90 par deux manchons de verrouillage 67 et 68 portant des doigts venant s'appliquer par effet ressort à l'intérieur des gorges annulaires internes 69 du manchon 90.
Deux volumes de pompage 94 et 96 respectivement sont définis entre les extrémités du piston 40 et les jeux de clapets inférieur 42 et supérieur 44, à l'intérieur du fourreau 36.
L'espace situé à l'intérieur du piston 40 de part et d'autre du raccord 62 est rempli d'huile propre. En cas d'effort supérieur à un effort nominal sur une des extrémités du piston intervenant en cas de contact intempestif du piston sur le fond de l'un des volumes de pompage 94 ou 96 sur perte de contrôle de position du moteur, le raccord 62 et les deux manchons 67 et 68 sont déverrouillés. Le raccord 62 agit comme le piston d'un amortisseur hydraulique grâce à la présence d'un orifice calibré le traversant et permettant l'écoulement d'huile propre entre les chambres situées de part et d'autre.
Le raccord 62 et les deux manchons 67 et 68 sont ensuite ramenés en position nominale verrouillée grâce au moteur. Le verrouillage dans le manchon 90 est assuré par effet ressort des doigts des manchons 67 et 68. Le dispositif assure ainsi une protection mécanique en limitant les efforts mécaniques dynamiques internes au fourreau 36.
Le jeu de clapets inférieur 42 (figures 7 et 8) comprend essentiellement un corps cylindrique tubulaire 98 ayant sensiblement les mêmes diamètres intérieur et extérieur que le fourreau 36 et dont les extrémités sont fixées à des parties supérieure et inférieure respectivement du fourreau 36. Dans ce corps 98 sont logés un premier clapet 100 monté axialement à l'intérieur du corps 98 et comportant une tête annulaire 102 destinée à venir s'appliquer sur un siège 104 formé par un épaulement annulaire de la surface interne du corps 98. Le clapet 100 est tubulaire et traversé à étanchéité, au moyen d'un joint à labyrinthe par la tige de piston 64 et est destiné à ouvrir et fermer un passage de remplissage du volume de pompage 94, ce passage de remplissage s'étendant entre des orifices 105 formés dans le corps 98 en dessous du siège 104 et un espace 106 formé à l'intérieur du corps 98 au dessus du siège 104, sur 180° environ autour de l'axe du corps 98.
Ce jeu de clapets inférieur 42 comporte également des seconds clapets formés par des billes 108, au nombre de quatre dans l'exemple représenté, qui sont montées dans des passages de sortie du volume de pompage 94, ces passages de sortie comprenant une partie cylindrique 110 s'étendant parallèlement à l'axe du corps 98 et comportant un siège d'appui d'une bille 108 à leur extrémité inférieure, ces passages 110 communiquant à leur extrémité supérieure avec des orifices radiaux 112 du tronçon de tube et débouchant à l'extérieur du corps 98. Les seconds clapets formés par les billes 108 logées dans les passages 110 sont répartis autour de l'axe du corps 98 sur 180° par exemple et occupent une
(ou plusieurs) partie de l'espace annulaire autour de l'axe dans le corps 98.
Le jeu de clapets supérieur 44 a sensiblement la même configuration que le jeu de clapets inférieur 42 mais est monté dans l'autre sens, de façon à ce que les seconds clapets à billes 108 se trouvent dans les deux jeux de clapets entre le premier clapet 100 et l'extrémité correspondante du piston 40.
Comme on le voit en figure 4, les extrémités du piston 40 comprennent chacune une (ou plusieurs) partie semi-cylindrique en saillie 114 qui est reçue, en fin de course du piston, dans l'espace semi- cylindrique 106 laissé libre par les seconds clapets à l'extrémité correspondante du corps 98, pour réduire autant que possible le volume mort en fin de course du piston. Les jeux de clapets inférieur 42 et supérieur 44 se trouvent au niveau de cloisons transversales agencées dans le corps de pompe entre les tubes 82 et 84 pour partager les canaux longitudinaux délimités par les cloisons radiales 86, en trois étages de canaux superposés, ces étages communiquant par l'intermédiaire des jeux de clapets 42 et 44.
Ainsi, le jeu de clapets inférieur 42 fait communiquer, par les orifices 105 du corps 98 et par les passages 110 et les orifices radiaux 112, les canaux longitudinaux qui se trouvent au-dessous de ce jeu de clapets avec les canaux longitudinaux qui se trouvent au-dessus, cette communication se faisant par l'intermédiaire du volume de pompage 94 qui est rempli d'effluents à l'ouverture du premier clapet 100 et vidé de ses effluents à l'ouverture des seconds clapets 108.
De même, le jeu de clapets supérieur 44 fait communiquer en deux temps, par l'intermédiaire des clapets et du volume de pompage 96, les parties des canaux longitudinaux délimitées par les cloisons radiales 86 qui se trouvent entre les deux jeux de clapets, avec les parties de ces canaux longitudinaux qui s'étendent vers le haut au-dessus du jeu de clapets supérieur 44.
Comme déjà indiqué, les cloisons radiales 86 sont dépourvues d'orifices de communication 88 entre les niveaux de deux jeux de clapets, et délimitent entre les tubes 82 et 84 des canaux longitudinaux isolés les uns des autres et dont deux, diamétralement opposés, servent au passage des effluents refoulés à travers les passages 110, 112 du jeu de clapets inférieur, lors de la descente du piston et dont les deux autres servent à l'aspiration des effluents lors de la remontée du piston.
L'extrémité inférieure de la tige de piston 64 est associée à des moyens de guidage anti-rotation, qui sont représentés en coupe transversale en figure 9. Ces moyens comprennent un plat 65 formé sur une partie de la surface cylindrique de la tige 64, et une bague 37 faisant partie du fourreau 36 et dont la surface cylindrique interne comporte un plat correspondant à celui de la tige 64.
On empêche ainsi une rotation du piston 40 par rapport au fourreau 36 et on garantit que les parties en saillie 114 aux extrémités du piston sont bien reçues dans les espaces semi-cylindriques 106 des corps des clapets aux fins de course du piston.
Par ailleurs, des moyens représentés schématiquement en figure 10 sont prévus pour garantir le passage des effluents entre les orifices formés dans le corps de la pompe et des orifices correspondants formés dans le fourreau 36 ou les éléments qui en font partie et notamment les corps tubulaires 98 des jeux de clapets 42 et 44.
Comme on le voit en figure 10, une chambre annulaire 113 est ménagée autour des orifices 112 dans le tube interne 82 du corps de pompe et s'étend sur 360° autour de l'axe de la pompe. Cette chambre annulaire communique avec les canaux longitudinaux formés par les cloisons 86 entre les tubes 82 et 84 du corps de pompe, de sorte que la position angulaire du fourreau 36 et des tronçons de tube 98 portant les clapets n'a pas d'influence sur le pompage des effluents.
L'extrémité inférieure du fourreau 36 est verrouillée en position dans un embout tubulaire 116 de l'extrémité inférieure du corps de la pompe par des moyens d'ancrage hydraulique 50 représentés en détail en figure 11 et qui comprennent un cylindre 118 dont l'extrémité supérieure est solidaire de l'extrémité inférieure du fourreau 36 et dont l'extrémité inférieure est fermée par un fond 120, et un piston 122 monté glissant à étanchéité dans le cylindre 118 et sollicité vers le bas par un ressort de rappel 124 monté entre ce piston 122 et l'extrémité inférieure du fourreau 36.
Une ligne 126 de commande hydraulique s'étend depuis la surface et passe dans l'embout tubulaire 116 du corps de pompe pour déboucher dans le cylindre 118, entre le fond 120 de celui-ci et le piston 122.
Des organes d'ancrage ou de verrouillage ou des segments 128 sont montés dans des orifices ou dans une gorge du cylindre 118 pour être poussés radialement vers l'extérieur dans une rainure de la surface interne de l'embout tubulaire 116 du corps de pompe par le piston 122 quand un liquide hydraulique sous pression est introduit dans le fond du cylindre 118 depuis la surface. Quand la ligne de commande hydraulique 126 est mise à l'échappement, le ressort 124 sollicite le piston 122 vers le fond 120 du cylindre 118 ce qui permet le retrait des organes de verrouillage ou des segments 128 dans les orifices ou la gorge de la paroi du cylindre 118 et libère l'extrémité inférieure du fourreau 36.
Ainsi, l'extrémité inférieure du fourreau 36 peut être verrouillée et ancrée dans le corps de pompe tant que les moyens 50 sont alimentés en liquide sous pression par cette ligne de commande 126, et est déverrouillée automatiquement en cas de chute de pression dans cette ligne de commande.
Ce déverrouillage permet le retrait du fourreau 36 hors du puits, au moyen d'un câble de levage dont l'extrémité inférieure est accrochée à l'extrémité supérieure de l'équipage mobile du moteur électrique.
La remontée de cet ensemble est facilitée par la commande d'une vanne d'écoulement représentée aux figures 12 et 13, qui est installée dans le fourreau 36 entre la partie haute pression au refoulement de la pompe et la partie basse pression à l'aspiration de la pompe et qui est commandée hydrauliquement depuis la surface par la même ligne de commande 126 que les moyens de verrouillage et d'ancrage de l'extrémité inférieure du fourreau 36.
Cette vanne d'écoulement est représentée ouverte en figure 12 et fermée en figure 13 et comprend essentiellement des organes 130 de fermeture de conduits d'écoulement 132 passant dans un élément annulaire 134 traversé axialement par la tige de piston 60, les organes d'obturation 130 étant portés et guidés par un autre élément annulaire 136 monté sous l'élément 134 et connecté à la ligne 126 de commande hydraulique.
La pression dans la ligne 126 agit sur l'extrémité inférieure des éléments d'obturation 130 qui sont poussés dans leurs positions d'obturation des conduits d'écoulement 132 de l'élément annulaire 134. En cas de chute de pression, les organes d'obturation 130 s'écartent des extrémités inférieures des conduits d'écoulement 132. L'ouverture de ces conduits permet un équilibrage des pressions au-dessus de la vanne (par exemple de 200 bars) et au-dessous de la vanne (par exemple de 50 bars) et les effluents pétroliers se trouvant au-dessus de la pompe et du moteur peuvent s'écouler vers le bas par les conduits 132 et par des conduits correspondants 138 traversant l'élément annulaire 136, sans s'opposer à la remontée du fourreau 36, de l'équipage mobile du moteur 24, du piston 40 de la pompe 26 ainsi que des jeux de clapet inférieur 42 et supérieur 44, des moyens d'ancrage 50 et de la vanne d'écoulement formée par les conduits 132 et 138 et les organes d'obturation 130. Après ouverture de la vanne d'écoulement représentée en figures 12 et 13, la remontée du fourreau 36 est également facilitée par la présence d'orifices ménagés dans le tube 82 permettant l'écoulement du fluide présent au dessus de la pompe vers le dessous de la pompe.
Les orifices d'écoulement ménagés dans le tube 82 sont situés sur sa périphérie entre le haut de la pompe et le moyen d'ancrage 50. Le fonctionnement de cette installation est le suivant.
Lorsque l'installation est en place au fond d'un puits comme représenté schématiquement dans les dessins, l'alimentation du moteur électrique 24 produit un mouvement alternatif de l'équipage mobile formé par le tube central 32 et les aimants permanents 38 à l'intérieur du fourreau 36, ce mouvement alternatif étant transmis par la tige axiale 60 au piston 40 de la pompe 26.
A partir de la position extrême supérieure de ce piston représentée en figure 4, le déplacement vers le bas du piston 40 se traduit par la mise en pression des effluents pétroliers dans le volume inférieur de pompage 94, par la fermeture du premier clapet 100 du jeu de clapets inférieur 42 et par l'ouverture des seconds clapets 108 de ce jeu de clapets inférieur 42, les effluents présents dans le volume inférieur de pompage 94 étant repoussés par la descente du piston 40 dans les canaux définis par les cloisons radiales 86 entre le tube intérieur 82 et le tube extérieur 84 du corps de pompe jusqu'au niveau du jeu de clapets supérieur 44.
Simultanément, la descente du piston 40 depuis la position de la figure 4 a créé une aspiration dans le volume supérieur de pompage 96, qui se traduit par l'ouverture du premier clapet 100 et la fermeture des seconds clapets 108 du jeu de clapets supérieur 44, pour le remplissage du volume supérieur de pompage 96 à l'intérieur du fourreau 36. Quand ensuite le piston 40 est déplacé vers le haut depuis sa position inférieure extrême, il se créé une dépression dans le volume inférieur de pompage 94 qui provoque l'ouverture du premier clapet 100 et la fermeture des seconds clapets 108 du jeu de clapets inférieur 42 et le remplissage du volume inférieur de pompage 94 par les effluents pétroliers à travers les orifices 105 depuis la partie inférieure du corps de pompe se trouvant sous le jeu de clapets inférieur 42.
Simultanément, il se produit un refoulement des effluents pétroliers contenus dans le volume supérieur de pompage 96, ce qui ferme le premier clapet 100 et ouvre les seconds clapets 108 du jeu de clapets supérieur 44, pour refouler les effluents pétroliers dans les canaux définis par les cloisons radiales 86 entre les tubes 82 et 84 du corps de pompe, au dessus du jeu de clapets supérieur 44.
La réduction des volumes morts en fin de course du piston permet de pomper des effluents contenant des gaz. Les grandes sections d'écoulement offertes par les clapets 100 et 108, par les passages formés dans le corps de pompe et par les conduits 74 du stator du moteur électrique ainsi que par le tube central 32, permettent de limiter à un minimum les pertes de charge et de faciliter ainsi le pompage d'effluents contenant du gaz et d'effluents très visqueux. Dans un exemple de réalisation de l'invention, l'installation formée par le moteur et la pompe se trouve à 1500 mètres sous la surface, le stator du moteur électrique a une longueur totale de 34 mètres, le corps de la pompe a une longueur de 8 mètres, le fourreau 36 a une longueur totale de 42 mètres, la course du piston de la pompe est d'environ 1 ,9 mètres et sa fréquence de déplacement est de 0,5 Hz. La montée en pression des effluents dans la pompe est d'environ 150 bars et le moteur électrique génère une force d'environ 50000 N. Le poids du tubage 18 d'une longueur de 1500 mètres est supporté par le stator du moteur électrique qui est lui-même supporté par les moyens
20 d'obturation de fond de puits, qui servent également à la fixation du corps de pompe. Le fourreau 36 a un diamètre extérieur de 69 mm et un diamètre intérieur de 64 mm et il est logé dans le tube intérieur 66 du stator du moteur, dont le diamètre intérieur est de 71 mm.
L'ensemble formé par le fourreau 36, l'équipage mobile du moteur électrique et les composants mobiles de la pompe a un poids de l'ordre de 10000 N et peut être extrait du puits au moyen d'un câble standard de levage, prévu pour être utilisé avec des charges d'environ 60000 N au maximum.
Pour éviter que les aimants permanents de l'équipage mobile du moteur bloquent ce retrait par attraction magnétique sur le tubage 18, on peut augmenter l'espace et/ou améliorer le centrage entre l'équipage mobile et le tubage 18 (par exemple installer dans le puits un tubage de diamètre suffisant 4 ou 4,5 pouces, soit 101 ,6 ou 114,3mm au lieu de 3,5 pouces et/ou venir placer lors des opérations de mise en place et de retrait un dispositif tubulaire intermédiaire de protection et de centrage entre le tubage 18 et le fourreau 36) pour réduire l'attraction magnétique exercée par les aimants permanents de l'équipage mobile du moteur et éviter leur collage sur le tubage.
Le dispositif tubulaire intermédiaire qui assure la protection et le centrage entre le tubage 18 et le fourreau 36 est aménagé pour permettre, lors de la remontée du fourreau 36, l'écoulement des effluents situés en sortie de la pompe vers l'entrée de la pompe.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation de pompage de liquide au fond d'un puits, en particulier d'un puits pétrolier, comprenant un moteur électrique linéaire
(24) et une pompe à clapets (26) qui sont immergés en fond de puits, le moteur comprenant un stator (30) porté par un tubage (18) installé dans le puits et un équipage mobile (28) déplaçable en mouvement alternatif, et la pompe comprenant un corps cylindrique porté par le tubage précité et un piston (40) relié à l'équipage mobile du moteur et entraîné par celui-ci, caractérisée en ce que l'équipage mobile (28) du moteur est guidé en déplacement dans une partie supérieure d'un fourreau cylindrique (36) qui s'étend axialement à l'intérieur du stator du moteur et du corps de la pompe, une partie inférieure du fourreau (36) servant au guidage du piston (40) de la pompe et portant les clapets (42, 44) de la pompe, cette partie inférieure du fourreau (36) étant solidarisable par des moyens commandés de verrouillage (50) avec le corps de la pompe et en étant désolidarisable par commande des moyens de verrouillage (50) pour permettre de ramener à la surface le fourreau (36) ainsi que l'équipage mobile (28) du moteur et le piston (40) et les clapets (42, 44) de la pompe, au moyen d'un câble de levage accroché à l'extrémité supérieure de l'équipage mobile du moteur.
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la partie supérieure du fourreau (36) est isolée de façon étanche de sa partie inférieure et de l'espace environnant et contient un agent de lubrification.
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que des voies (74) de passage vers la surface du liquide pompé sont formées autour de la partie supérieure du fourreau (36) dans le stator du moteur et sur toute la longueur de celui-ci.
4. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator du moteur comprend deux tubes cylindriques coaxiaux respectivement intérieur (66) et extérieur (72) entre lesquels sont disposées des bobines électriques (38) entourant le tube intérieur (66), et des tubes parallèles (74) de passage du liquide pompé, répartis autour des bobines entre celles-ci et le tube extérieur (72).
5. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'équipage mobile comprend un tube central (32) portant une série d'aimants permanents (34) et des moyens (54) de guidage en déplacement alternatif dans la partie supérieure du fourreau (36), le tube central (32) formant également une voie de passage vers la surface du liquide pompé.
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le tube central (32) est en matériau magnétique, par exemple en fer doux.
7. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fourreau (36) est en matériau amagnétique, par exemple en titane.
8. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piston (40) de la pompe est tubulaire et fixé par des moyens d'encliquetage élastique (67, 68, 69) sur un embout cylindrique (62) d'une tige de piston (60, 64) reliée à l'équipage mobile du moteur, cet embout (62) étant désolidarisé du piston (40) de la pompe dans un sens de déplacement quand l'effort appliqué au piston dépasse une valeur limite prédéterminée et formant alors un piston d'un amortisseur hydraulique dont le corps cylindrique est formé par le piston (40) de la pompe.
9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'embout (62) désolidarisé du piston (40) de la pompe est resolidarisé automatiquement à ce piston par encliquetage élastique, lors du déplacement de la tige de piston dans le sens opposé.
10. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pompe (26) est à double effet et son piston (40) est déplacé en mouvement alternatif entre un jeu de clapets inférieur (42) et un jeu de clapets supérieur (44), chaque jeu de clapets délimitant avec une extrémité du piston (40) un volume de pompage (94, 96) dans le fourreau (36), et comprenant au moins un premier clapet (100) monté dans un passage de remplissage du volume de pompage et au moins un second clapet (108) monté en sens inverse du premier clapet dans un passage de sortie (110, 112) du volume de pompage.
11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le premier clapet (100) de chaque jeu de clapets est monté dans un passage axial et comprend une tête annulaire centrale (102) de fermeture de ce passage axial.
12. Installation selon la revendication 11 , caractérisée en ce que le premier clapet (100) est traversé à étanchéité par la tige de piston (60, 64) et est déplaçable en coulissement sur celle-ci.
13. Installation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que chaque jeu de clapets (42, 44) comprend plusieurs seconds clapets (108) montés dans des passages de sortie (110, 112) agencés autour de l'axe de la pompe.
14. Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que les seconds clapets sont des clapets à billes (108).
15. Installation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que, pour chaque jeu de clapets, les passages de sortie (110, 112) des seconds clapets sont dans un même plan transversal par rapport à l'axe de la pompe.
16. Installation selon l'une des revendications 10 à 15, caractérisée en ce que les seconds clapets (108) sont disposés entre le piston (40) et le premier clapet (100), dans chaque jeu de clapets.
17. Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que, dans chaque jeu de clapets, les passages de sortie (110, 112) sont regroupés dans une ou plusieurs parties de l'espace annulaire compris entre la tige de piston (60, 64) et le fourreau (36), le reste de cet espace annulaire formant un logement destiné à recevoir une ou plusieurs parties (114) en saillie de l'extrémité correspondante du piston (40), pour réduire Ie volume mort en fin de course du piston.
18. Installation selon l'une des revendications 10 à 17, caractérisée en ce que le corps de la pompe comprend deux tubes cylindriques coaxiaux respectivement intérieur (82) et extérieur (84) et des cloisons radiales (86) montées entre ces deux tubes et y délimitant des canaux longitudinaux de passage du liquide pompé, communiquant avec les volumes de pompage (94, 96) formés dans le fourreau (36) entre le piston (40) et les jeux de clapets inférieur (42) et supérieur (44).
19. Installation selon la revendication 18, caractérisée en ce que les canaux de passage de liquide pompé formés dans le corps de la pompe comportent des cloisons transversales au niveau des jeux de clapets inférieur (42) et supérieur (44).
20. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que des moyens commandés (130, 132, 138) d'écoulement du liquide pompé sont installés dans le fourreau (36), entre le moteur (24) et la pompe (26), pour permettre l'écoulement vers le fond du puits du liquide pompé se trouvant au dessus du moteur dans le tubage (18), à la remontée en surface du fourreau (36) et des composants du moteur et de la pompe qu'il contient.
21. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, pour la descente et la remontée du fourreau (36) et des composants qu'il contient, un dispositif tubulaire de protection et de centrage est préalablement mis en place autour du fourreau.
22. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fourreau (36) et l'équipage mobile du moteur électrique (24) sont formés d'éléments modulaires raccordés bout à bout et ayant des longueurs de 10 à 12 mètres environ.
23. Installation selon la revendication 22, caractérisée en ce qu'elle comprend un sas en partie supérieure du puits, comportant une veine installée sous la surface et commandée depuis la surface pour fermer le puits de façon étanche et permettre le démontage (et inversement le raccordement) dans le sas des différents éléments modulaires de l'équipage mobile.
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