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PERFECTIONNEMENTS AUX TIGES DE PISTON
La présente invention est relative à des perfection- nements aux tiges de piston pour les pompes de puits de pé- trole et appareils analogue.
Les principaux objets de l'invention sont: de réa- liser une tige de piston d'un poids inférieur par unité de longueur, offrant moins de résistance à l'écoulement du pé- trole et moins de résistance au mouvement alternatif dans la tuyauterie du puits que les tiges de piston normales actuel- lement en usage, et en même temps, capable de mieux résister
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aux efforts longitudinaux, latéraux et de flexion auxquels la tige est soumise dans son emploi et qui sont la cause principale des fréquentes ruptures des tiges normales actuel- les; et de réaliser une tige de ce genre dont les parties ou éléments soient réunis par joints filetés de telle ma- nière qu'on évite un desserrage accidentel des éléments, desserrage qui, dans les tiges normales actuelles est une fréquente cause d'accidents.
D'autres objets de l'invention sont: de réaliser une tige de piston efficace à contours fuyants comprenant des éléments réunis par joints filetés, se maintenant eux- mêmes contre un dévissage accidentel de réaliser une tige- de piston comprenant des éléments réunis par des joints filetés de petit diamètre extérieur et dans lesquels la masse de mé- tal concentrée aux joints est plus petite que dans les joints ordinaires de tiges de piston ; deréaliser un joint fileté pour éléments de tiges de piston construit de manière à réduire sensiblement le poids et la rigidité de la tige au joint et à rejeter les efforts de flexion dans la tige,en dehors des joints de manière à éliminer sensiblement la possibilité de rupture de la tige à l'endroit du joint fi- leté;
de réaliser un joint se freinant lui-même et construit de telle sorte qu'il augmente le coefficient de sécurité de la tige, par rapport à sa résistance aux charges axiales; d'éviter les brusques changements de section et la concen- tration des efforts de rupture dans une partie quelconque de la tige; de donner à toutes lesparties du joint une sur- face équivalente en section transversale à celle des autres parties de la tige ; de réaliser un joint dans lequel la ou les extrémités filetées extérieurement de chaque élément de tige ne soient pas pourvus de collet, épaulement et par- ties de tige usuelles.
Une forme de réalisation de cette invention est représentée sur le dessin annexé,dans lequel!
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La fig.l est une vue partielle en élévation de la tige dans la même position que lorsqu'elle s'étend à l'in- térieur du puits;
La fig.2 est une vue, à une échelle agrandie, par- tiellement en coupe longitudinale axiale, du joint entre deux éléments courants de la tige , qui sont complètement accouplés.
La fig.3 est une vue semblable à la fig.2, montrant les éléments partiellement accouplés, juste avant le dépla- cement de blocage entre les filetages de jonction; et
La fig.4 est une vue en coupe transversale selon la ligne 4-4 de la fig.l.
La tige de piston représentée ressemble quelque peu au type de tige à simple broche et douille, en cela qu' elle consiste en éléments courants, chacun filetés extérieure- ment à une extrémité et portant une douille filetée inté- rieurement à l'extrémité opposée, laquelle reçoit l'extrémité inférieure filetée extérieurement de l'élément supérieur sui- vant de la tige.
On remarquera, toutefois, que les éléments de tige, tout en portant une douille à une extrémité n'ont pas le collet et la broche filetée habituels à l'autre extré- mité, mais portent simplement un filetage extérieur saillant, voisin, mais espacé de l'extrémité de l'élément de tige, la- quelle est l'extrémité inférieure de cet élément lorsque la tige est montée dans le puits, et que le brusque épaulement habituel de la boite est également supprimé.
La tige consiste en éléments courants de tige 10, consistant chacun en une seule pièce d'acier ou d'autre mé- tal approprié. A l'exception des parties ci-après indiquées, chaque élément de tige a une section transversale circulaire d'un diamètre constant d'une extrémité à l'autre. Sur la fig.
1, sur laquelle est représenté une tige de 19 mm, le dia- mètre en question est de dix neuf millimètres.
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A son extrémité supérieure, chaque élément de tige est munie d'une douille 11 recevant l'extrémité inférieure de l'élément de tige voisin du dessus. Le diamètre maximum de la douille est maintenu, de préférence, relativement faible.
Pour obtenir ce résultat, sans affaiblir la tige dans son ensemble, le diamètre maximum sera de préférence tel que la surface de la section de la douille métallique, à la base de son filetage, soit la même ou sensiblement la même, comme dans la construction représentée, que celle du reste de la tige. L'alésage de la douille est d'une forme cylindrique, comme en 12, depuis l'embouchure vers le bas sur une distance qui est de préférence légèrement plus grande que le diamètre normal de la tige, et cettepartie cylindrique de l'alésage porte un taraudage intérieur 13 taillé, ou formé sur elle d'une autre manière, d'une extrémité à l'autre.
En établis- sant cette partie de l'alésage légèrement plus longue que le diamètre de la tige, la longueur de la partie taraudée est telle qu'elle offre un filet parfait sur une longueur de la douille égale ou légèrement plus grande que le diamètre de la tige, ce qui est suffisant pour résister au cisaille- ment du filetage sous des tensions allant jusqu'à celle qui est suffisante pour briser la tige en dehors des filets. La longueur de la partie 12 de l'alésage pour une tige de 19 mm, est de préférence de 32 mm, comme représenté, et à partir de l'extrémité intérieure de la partie 12, l'alésage est graduellement et légèrement rétréci, pour former une partie d'alésage lisse, graduellement contractée, ou chambre 14,ayant un fond conique 14a, dont le sommet est sur l'axe de la tige, dans des buts indiqués ci-après .
Si on le désire, la paroi de fond 14a peut être faite de forme hémisphérique ou voisine. La profondeur maximum de la chambre 14 est de pré- férence aussi grande que cela est possible avec les diamètres de la tige et de la douille utilisées, et avec les dimen-
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sions de la tige représentée, elle est de 20 mm 6.
L'élargissement graduel du diamètre extérieur de la tige en vue de la formation de la douille commence de préférence sensiblement à la hauteur du fond de celle-ci, c'est-à-dire à 50 mm environ de l'extrémité supérieure de l'élément de tige, pour la tige de 19 mm ,représentée, et la conicité intérieure et extérieure de la paroi de la douil- le est la même au-dessus du fond 14a de la douille. Les parties lisse et filetée de la paroi de la douille se raccor- dent sensiblement à l'extrémité intérieure du filetage 13, et ces parties de la paroi ont la même ou sensiblement la même épaisseur excepté là où cette paroi est entamée par les rainures du taraudage, et également de préférence sur une courte longueur au-dessous de l'embouchure de la douille.
L'extérieur de la partie taraudée de la douille est cylin- drique, comme le montre le dessin, sauf sur une faible lon- gueur au-dessous de l'embouchure de la douille où l'épais- seur de la paroi est réduite par le fait qu'on donne à l'ex- térieur de la douille une forme conique effilée vers le haut de manière à fuseler l'embouchure de la douille et à augme n- ter la flexibilité du joint à cette embouchure. Le diamètre maximum extérieur de la douille pour une tige de 19 mm est de préférence de 28 mm5, et celui de la partie supérieure de la douille de 25mm, tandis que la longueur de la partie co- nique est d'environ 12 mm, 5.
La surface de la section trans- versale de la douille métallique est ainsi sensiblement la même en tous les points que celle de la partie principale de l'élément de tige, excepté à l'embouchure de la douille.
De ce qui précède, il résulte que les formes inté- rieure et extérieure de la douille sont telles que les brus- ques épaulements ou changements de section transversale sont supprimés,que l'extrémité de la douille est fuselée, et que la douille est en même temps d'un bien plus petit diamètre
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total et d'une masse métallique bien plus faible que dans les formes normales de douilles de tiges de piston,- tout en possédant une très grande résistance.
A une courte distance au-dessous de la douille 11, la tige cylindrique est amenée à une'section transversale carrée par une opération de forgeage convenable,'afin de for- mer une portée 15 pouvant recevoir une clé . Il est évident que la section transversale de la tige dans la partie desti- née à recevoir une clé est équivalente à celle de la partie principale cylindrique de l'élément de tige. Pour une tige de 19 mm ,la partie 15 mesure de préférence 17 mm, 5 de côté ou 24mm, 6 en diagonale, et la longueur des méplats parallèle- ment à l'axe,de la tige est de 38mm.
On remarquera que les brusques épaulements et collets aux deux extrémités de la partie destinée à recevoir les clés sont supprimés, et que cette partie ainsi formée se raccorde graduellement avec la partie cylindrique, de sorte que cette partie de tige est à contours fuyants et/construite de telle sorte qu'elle évite la concentration d'efforts de rupture dans la tige 4 cet en- droit. La tige porte une seconde portée de clé identique 16 à environ 63mm, au-dessus de son extrémité inférieure.
A son extrémité inférieure, chaque élément de tige est graduellement dépouillé vers le bas , cette partie conique 17 étant légèrement plus longue que la paroi latérale de la chambre 14 et terminée par une partie arrondie 17 dont la @ surface est sensiblement adaptée pour s'appliquer dans la paroi conique 14a du fond de la chambre 14, de préférence au voisinage du bord extérieur de la paroi du fond, comme représenté, de façon à constituer une surface de butée recevant la poussée de bout , recevant la poussée venant de l'assemblage des éléments et des courses de pompage de la tige de piston dirigées vers le bas, ainsi qu'une crapaudine à pivotement universel pour l'extrémité inférieure d'un élément de tige,
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au fond de la douille de l'élément inférieur suivant dans des buts indiqués ci-après.
La partie de pointe 17a est un peu inférieure à une demi-sphère. Pour la tige de 19mm, re- présentée, la longueur maximum de la partie lisse conique de l'extrémité inférieure de l'élément de tige est de pré- férence de 22mm. La conicité de cette partie de la tige est de préférence identique à celle de la partie 14' de la douil- le et les dimensions de cette partie de la tige sont telles qu'elles offrent un léger jeu entre la périphérie de cette partie et la paroi latérale delà partie 14 de la douille, lorsque la partie arrondie 17a est appuyée sur la paroi de fond 14a de la chambre 14, le diamètre maximum de la partie de tige 17 étant de 17mm,5 pour la tige de 19 mm.
Entre la portée de clé 16 et la partie conique 17, chaque élément de tige est pourvu d'un filetage extérieur 18 sur une(partie de sa longueur qui correspond sensiblement ou est un peu plus faible que la longueur de la parti.e taraudée de la douille 11, par exemple, pour une tige de 19mm, sur une longueur de 22mm. Le filetage 18 se termine de préférence à environ 6mm, de l'extrémité supérieure de la part-,-le 17, de telle sorte qu'il puisse être entièrement vissé dans le taraudage 13 dans être au contact des filets intérieurs ex- trêmes, d'ordinaire mal finis ou imparfaits, de ce taraudage.
La courte partie cylindrique 19 de la tige est de préférence d'un diamètre légèrement plus faible que le diamètre normal de la tige, afin de ménager un léger jeu entre elle et le ou les filets du taraudage imparfait dans la douille. Le dia mètre de la partie 19 pour la tige de 19mm, est de17 mm,5.
On remarquera que la partie 19 se raccorde sensiblement avec le filetage 18.
Le filetage 18 peut être taillé ou formé sur la tige par un autre procédé et son diamètre au fond est le même que celui de la partie cylindrique principale de la tige, soit 19mm.
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De ce qui précède, il résulte que la partie inférieu- re de chaque élément de tige est également dépourvue de brus- ques épaulements, collets ou changements de section, et reste. d'un bout à l'autre du joint fileté avec la douille de l'é- lément inférieur voisin, d'une section transversale égale ou sensiblement égale à celle de la partie principale de la tige.
Il est évident que l'invention permet de réaliser un genre de tige de piston dans lequel les éléments de tige sont réunis par des raccords munis à leurs deux extrémités de douilles séparées par une paroi de fond commune, et également d'autres genres que celui qui est représenté.
Les parties filetées 13 et 18 sont munies de filets d'un pas constant et égal, et comme le représente le dessin, sont de préférence du type bien connu Dardelet à freinage in- térieur. La crête du taraudage 13 et le- fond du filetage 18 font un angle de six degrés avec l'axe du filetage ou les axes des éléments de tige, les filets étant beaucoup plus étroits que les rainures, de sorte que les surfaces de freina- ge légèrement coniques des parties filetées sont coincées l'une contre l'autre, par leur contact depuis la jonction en vissage libre représentée sur la fig;
3 jusqu'à la jonction à freinage intérieur représentée sur la fig.2, au moyen d'un léger mouvement de rotation relatif entre les éléments de tige, exécuté pendant l'opération de jonction, après que la partie arrondie 17a repose sur la paroi 14a et arrête l'avan- cement du vissage de l'élément de tige supérieur dans l'élé- ment inférieur. Les éléments de tige sont ainsi verrouillés sûrement et automatiquement contre un desserrage accidentel.
En vissant ensemble les éléments de tige de piston usuels, l'effort d'assemblage place la broche filetée sous une tension puissante, laquelle, pendant le fonctionnement, s'a- joute à la grande tension de traction due au poids d'une lon-
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gueur .de tige pouvant atteindre ou même dépasser un millier de mètres et à la résistance du pétrole pendant les courses vers le haut de la tige. Cette tension d'assemblage amène très fréquemment la broche filetéeà la limite ou près de la limite de sa résistance à la tension, de sorte qu'on ne laisse que peu ou point de marge permettant de résister à la charge de service ce qui est un défaut sérieux des tiges normales actuel- les.
On remarquera que l'une des diverses fonctions du présent joint consiste à comprimer axialement l'extrémité filetée extérieurement de la tige, après que les parties 14a et 17a de la butée à grande surface de contact sont entrées en con- tact et à neutraliser ainsi complètement ou partiellement les efforts de traction dus aux poids soulevés et à augmenter ainsi grandement au lieu de le diminuer, le coefficient de sécurité. C'est là une particularité importante, car le coef- ficient de sécurité par rapport aux efforts de tension dans les tiges de piston normales est extrêmement faible, et il ne peut en être autrement.
Une autre particularité importante du présent joint, en plus de celles déjà mentionnées est que la tendance accrue à la flexion des parties filetées, commune aux joints actuels, est éliminée, et un point de flexion éloigné des parties filetées est créé par la crapaudine à grande surface à pivote- ment universel 14a-17a et le jeu entre les surfaces 17 et 14 reporte la flexion dans la partie principale des éléments de tige adjacents, de sorte que l'élément entier tend à plier et distribue et absorbe les efforts latéraux et les efforts de rupture par flexion, réduisant ainsi grandement la possibi- lité d'une rupture de la tige.
C'est là un changement radical dans les procédés anciens de construction des tiges de piston. Il est bien connu que, dans les types existants de tiges de piston, les accidents les plus fréquents ont toujours été les ruptures des parties
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vissées et les desserrages accidentels.
La pratique commerciale passée a été , pour essayer de supprimer ces accidents, dtaug- menter constamment le diamètre, la masse métallique et la rigi- dité du joint, relativement au diamètre des parties principa, les des éléments de tiges assemblés; ainsi, pour une tige de 19 mm, telle que celle qui est représentée, et le plus couram- ment employée, le diamètre de la broche filetée est de 27mm, et les diamètres de la douille et du collet de 38 ou de 41mm, ce qui double et au-delà , le diamètre extérieur du joint, ainsi que la masse métallique et le poids, sans résoudre le- problème; et il a même été proposé d'augmenter encore ces dia- mètres.
De tels joints, lourds et rigides, avec leurs épaule- ments carrés saillants, non seulement réduisent sérieusement le débit de pétrole dans la tuyauterie , laquelle est d'ordi- naire une tuyauterie de 51 mm, mais contribuent à accentuer les vibrations latérales et les efforts de flexion, ainsi que la charge de tension, et par conséquent augmentent les tendan- ces à la rupture et au desserrage et la puissance nécessaire au pompage.
La présente invention offre une tige sectionnée so- lide, dont les éléments ne peuvent être accidentellement des- serrés; une tige dont le poids est minimum par unité de lon- gueur , et le diamètre minimum aux joints , et qui a des con- tours fuyants, de sorte que la charge de tension et l'effort de pompage sont réduits au minimum et le débit de pétrole augmenté au maximum; et une tige sectionnée qui est dtune résistance sensiblement uniforme d'un bout à l'autre et cons- truite et assemblée de telle façon que la vibration et la tendance à la rupture sont. réduites au minimum', et les efforts de flexion répartis au loin et absorbés dans les par- tues principales des éléments de tige et non pas concentrés dans les parties filetées de joints rigides.