CA2311175C - Pompe a cavites progressantes a stator composite et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une pompe à cavités progressantes destinée à communiquer de l'énergie à un fluide, la pompe comportant au moins un carter, un stator et un rotor métallique disposé à l'intérieur du stator. Selon l'invention, le stator est constitué d'au moins deux parties, une première partie constituée en un matériau peu élastique et une deuxième partie disposée entre la paroi interne du carter et la première partie, la première partie étant en contact avec le rotor, la deuxième partie étant adaptée pour appliquer et/ou conserver une contrainte a de la première partie sur le rotor afin d'obtenir le gain en pression requis pour le fluide pompé.

Description

POMPE A CAVITES PROGRESSANTES A STATOR COMPOSITE ET SON
PROCEDE DE FABRICATION

L'invention concerne une pompe à cavités progressantes de type Moineau , comportant un stator formé d'au moins deux parties. Une première partie est constituée d'un matériau peu élastique, permettant notamment de conserver les propriétés d'une deuxième partie. La deuxième partie est adaptée pour assurer une contrainte suffisante de la première partie sur le rotor et obtenir un gain de pression requis pour l'opération de pompage.
L'invention s'applique notamment pour le pompage de tous types d'hydrocarbures ou de produits agressifs.

Les pompes à cavités progressantes, ou pompes de type Moineau, sont bien connues et leur fonctionnement a été largement décrit dans l'art antérieur. La pompe comporte un engrenage intérieur ou rotor, et un engrenage extérieur ou stator.
Chaque engrenage possède un axe longitudinal, les deux axes étant parallèles et distants l'un de l'autre. Le stator possède une dent de plus que le rotor, ce dernier est tel que ses dents sont constamment en contact avec le stator. Le rapport des pas d'hélice du rotor et du stator, est proportionnel au rapport du nombre des dents des deux engrenages correspondant.
L'enroulement hélicoïdal des dents de l'engrenage autour de leur axe de rotation crée, entre les deux engrenages, un volume dont la longueur est égale au pas de l'engrenage extérieur.
A condition que les hélices des engrenages extérieur et intérieur fassent plus d'un tour, cette disposition d'engrenage et leur mouvement respectif forment des cavités fermées. La pompe ainsi créée permet d'évacuer un volume de fluide sous pression et sans clapet anti-retour.
Pour obtenir des hauteurs de pompe satisfaisantes, les cavités formées entre le rotor et le stator doivent être fermées avec un certain degré d'étanchéité.
L'étanchéité est notamment assurée par un jeu négatif entre le diamètre de la section du rotor et la dimension des dents du stator. Le maintien de ce jeu négatif est assuré par une certaine élasticité du rotor et/ou du stator. Afin d'éviter une perte de rendement due notamment au frottement mécanique entre le stator et le rotor lors de leur mouvement de rotation, il est connu d'utiliser un stator constitué d'un élastomère et un rotor constitué d'un métal.
Les pompes de type Moineau sont bien adaptées pour le pompage dans le fond des puits ou en surface de certains effluents pétroliers, en particulier les bruts visqueux.
Toutefois, la composition des bruts dits légers entraîne une dégradation chimique des élastomères, conduisant à des interventions au niveau du stator et donc à une augmentation des coûts de maintenance et par conséquent de production. Pour des effluents ayant des températures supérieures à 140 C, l'élastomère subit une dégradation thermique. Une telle

2 dégradation peut aussi exister lors du pompage de fluide ayant une valeur de rapport gaz/liquide élevé, du fait de l'échauffement du gaz par compression.
Les températures élevées, ou l'élévation de température en cours de fonctionnement, peuvent aussi être la cause de problèmes d'adhérence de l'élastomère sur le corps métallique de la pompe et provoquer un décollement de la partie élastomérique du stator du corps de la pompe.
Par conséquent, le pompage de bruts ayant des températures élevées, par grande profondeur ou dans des puits stimulés par de la chaleur par exemple, ainsi que le pompage d'effluents présentant de fort taux de gaz, en condition de surface par exemple, n'est pas toujours accessible aux pompes Moineau.
L'objet de la présente invention est une amélioration d'une pompe de type Moineau . Le stator est un élément composite . Le mot composite est utilisé dans la présente description pour désigner la structure en au moins deux parties du stator. Une première partie du stator est réalisée en un matériau peu élastique, tel qu'un métal, et une deuxième partie, en contact avec le corps de pompe, est choisie pour obtenir et conserver une contrainte de la première partie sur le rotor de façon à générer le gain de pression souhaité.
L'invention concerne une pompe à cavités progressantes destinée à communiquer de l'énergie à un fluide, ladite pompe comportant au moins un carter, un stator et un rotor métallique, ledit rotor étant disposé à l'intérieur dudit stator.
Elle est caractérisée en ce que le stator est constitué d'au moins deux parties, une première partie constituée en un matériau peu élastique et une deuxième partie disposée entre la paroi interne du carter et la première partie, ladite première partie étant en contact avec le rotor, ladite deuxième partie étant adaptée pour appliquer et/ ou conserver une contrainte Q de la première partie sur le rotor afin d'obtenir le gain en pression requis pour le fluide pompé.
La première partie peut être constituée d'un matériau permettant de préserver les propriétés de la deuxième partie_ La première partie est par exemple constituée d'un métal.
La deuxième partie peut être constituée d'un élastomère.
La deuxième partie est par exemple constituée d'un réseau métallique noyé dans une matrice d'élastomère.
La deuxième partie est par exemple constituée, en totalité ou en partie, par un fluide ayant une valeur de pression suffisante pour appliquer une contrainte requise de la première partie sur le rotor.
Le fluide sous pression peut être une partie du fluide pompé.

3 L'inventiôn concerne aussi un procédé de fabrication d'un stator constitué
d'au moins une première partie en contact avec un rotor et d'une deuxième partie, et destiné à être utilisé dans une pompe à cavités progressantes.
Le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
1) on dispose un mandrin ayant une forme choisie en fonction de la première partie du stator, à l'intérieur d'un élément en matériau métallique, l'ensemble étant lui même disposé dans une enveloppe pourvue d'un ou de plusieurs orifices, 2) on applique sur l'élément une pression suffisante pour mettre en forme l'élément, afin qu'il épouse la forme du mandrin, pour former ladite première partie, et 3) on retire le mandrin.
Au cours de l'étape 2) on peut introduire un fluide sous pression entre l'enveloppe et l'élément.
On injecte par exemple dans l'espace formé par l'enveloppe et la paroi externe de l'élément un matériau polymérisable et on soumet l'ensemble à une étape de polymérisation, de manière à former la deuxième partie du stator.
On injecte par exemple un matériau adhésif avant d'injecter le matériau polymérisable.
On positionne par exemple entre l'enveloppe et l'élément des moyens permettant de dissiper la chaleur, avant d'injecter le matériau polymérisable et/ou de centrer la partie par rapport au carter.
La pompe et le procédé selon l'invention sont appliqués au pompage d'un effluent pétrolier ou au pompage de fluides agressifs.

Le dispositif de pompage selon l'invention présente notamment comme avantage d'élargir le domaine de pompage à une gamme d'hydrocarbures plus importante et d'augmenter la durée de vie de l'équipement.

D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du dispositif selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après de modes de réalisation décrits à titres d'exemples non limitatifs, en se référant aux figures annexées où :
= la figure 1 représente la structure générale d'une pompe Moineau selon l'art antérieur, = la figure 2 représente une section de la pompe dans un plan perpendiculaire à son axe, = la figure 3 schématise une coupe de la pompe selon l'invention, = la figure 4 représente une variante de réalisation où le stator comporte un réseau métallique inséré dans une matrice d'élastomère, , CA 02311175 2000-06-06

4 = les figures 5 et 6 représentent une pompe et un détail de la pompe selon l'invention, utilisant une partie du fluide pompé pour le stator, = les figures 7 et 8 schématisent deux variantes de réalisation de la pompe mentionnée à la figure 5, et = les figures 9 à 11 schématisent un exemple d'étapes de fabrication.

La figure 1 représente un arrangement général et connu d'une pompe de type Moineau . La pompe comporte un corps ou carter 1, généralement en métal, dans lequel circule l'effluent à pomper. A l'intérieur de ce corps de pompe, on trouve notamment les éléments suivants :
= un stator 2 en contact avec la paroi interne la du carter, = un rotor 3 généralement métallique, disposé à l'intérieur du stator, = la forme du stator et la forme du rotor, ainsi que leurs dimensions, sont telles que la rotation du rotor dans le stator génère des cavités 4 fermées, se déplaçant le long du rotor. Ce mouvement permet d'assurer la fonction pompage, = un élément 5 de liaison du rotor avec un dispositif 6 d'entraînement en rotation, disposé à
l'extérieur du carter par exemple, assure le mouvement de rotation.
L'élément 5 est choisi pour compenser la différence de nature de mouvement entre le dispositif 6 d'entraînement en rotation et le mouvement hépicycloïdal du rotor 3. Cet élément peut être un dispositif flexible ou encore un cardan.
Le carter 1 est pourvu d'au moins un orifice 7 d'introduction du fluide à
pomper, auquel on souhaite apporter une certaine quantité d'énergie, et un passage ou orifice 8 d'évacuation du fluide ayant acquis de l'énergie.

La présente invention est une amélioration des pompes de type Moineau existant dans l'art antérieur.
La figure 2 schématise un arrangement spécifique de la pompe selon l'invention, notamment la structure de son stator.
Le stator 2 est constitué, par exemple, de deux parties référencées 2a (première partie) et 2b (deuxième partie). La première partie 2a est par exemple constituée d'un matériau peu élastique et a notamment pour fonction de préserver les qualités de la deuxième partie 2b en contact avec la paroi interne la du carter. La partie 2b est adaptée pour obtenir et préserver dans le temps, et en cours de fonctionnement, une contrainte de la partie 2a sur le rotor afin d'entretenir le jeu négatif existant entre le stator et le rotor, ce jeu étant nécessaire pour générer le gain de pression pour le fluide à pomper.

La partie 2b peut être réalisée de diverses manières dont certaines sont détaillées ci-après, à titre illustratif et nullement limitatif. Cette partie 2b peut être réalisée en un matériau élastique tel qu'un élastomère ou un fluide compressible ou non compressible.

5 La figure 3 représente une variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple un alliage de cuivre, et = la partie 2b du stator est constituée d'un élastomère.
Le rotor 3 est constitué par exemple d'un métal recouvert d'un chromage ou d'un métal chromé.
Un tel agencement permet de diminuer, voire éliminer, la dégradation chimique du stator et de préserver la contrainte exercée par la partie 2a au niveau du rotor et qui est nécessaire au gain de pression requis lors de l'opération de pompage.

La figure 4 représente une autre variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple un alliage de cuivre, et = la partie 2b est constituée d'un réseau 10 métallique et d'un élastomère 11.
Le réseau métallique est par exemple noyé dans la matrice en élastomère. Le réseau métallique 10 permet notamment de dissiper la chaleur s'accumulant dans la matrice 11, vers la paroi du carter 1. Il a aussi pour fonction de centrer la partie 2a du stator par rapport au carter 1.
Un tel agencement permet avantageusement d'éviter la dégradation thermique et chimique des éléments constituant la pompe. L'augmentation de la température dans la pompe provient par exemple de la température de l'effluent pompé ou encore du taux de gaz présent dans le fluide.

Il offre aussi l'avantage de conserver un centrage de la partie 2a pour des modes de fabrication de la pompe comportant une étape d'injection de l'élastomère.
Le rotor 3 est par exemple en métal chromé.

Les figures 5 et 6 représentent une variante de réalisation où :
= la partie 2a du stator est constituée d'un métal, par exemple d'un alliage de cuivre, et = la partie 2b est constituée par exemple d'un fluide. Ce fluide assure la contrainte nécessaire exercée sur la partie 2a pour maintenir l'étanchéité entre le rotor et le

6 stator et le gain de pression requis pour le fluide à pomper. Tout fluide compressible ou non permettant d'obtenir ce résultat peut être utilisé.
Dans cet exemple de réalisation, le fluide est par exemple une partie du fluide pompé.
La figure 5 schématise un exemple d'installation d'une pompe selon l'invention dans un puits de production .
La pompe est installée à l'extrémité d'une colonne de production 20 et est en contact avec le fluide du gisement 21, un hydrocarbure par exemple. Le fluide à pomper est introduit dans la pompe par l'orifice d'introduction 23, circule à travers cette dernière en acquérant une certaine valeur d'énergie, avant d'être évacué par l'orifice d'évacuation 24 et remonter jusqu'à la surface à travers l'espace annulaire 25 formé par la colonne de production 20 et la tige d'entraînement 5.
Au démarrage de l'opération de pompage, le fluide pompé remplit l'espace 13 compris entre le corps de pompe et la partie 2a du stator jusqu'à remplir en totalité l'espace (figure 6). Ce fluide est à une pression sensiblement identique à la pression de refoulement Pr de la pompe. Cette valeur de pression est suffisante pour appliquer et maintenir une contrainte de la partie 2a sur le rotor de façon à entretenir le jeu négatif et à générer le gain de pression nécessaire dans les cavités.
La figure 6 montre un détail du stator de la pompe décrite à la figure 5.
.La partie 2a comporte au moins un orifice 12 d'introduction du fluide pompé
dans l'espace 13.
La partie 2a peut être constituée d'une tôle ayant une épaisseur variable sur sa longueur. La façon dont varie cette épaisseur est choisie en tenant compte de la variation de contrainte existant le long du stator. Cette variation de contrainte est notamment fonction de la différence de pression existante entre l'espace 13 et les cavités 4 située entre la partie 2a et le rotor 3.
Avec ce mode de réalisation, l'utilisation du fluide pompé pour générer la contrainte nécessaire précitée, permet d'adapter cette valeur de contrainte automatiquement et ceci en cours de fonctionnement de la pompe.
En effet, la contrainte exercée par le fluide présent dans l'espace 13, est sensiblement égale à la pression Pr de refoulement de la pompe. La contrainte exercée sur le rotor est dès lors adaptée au besoin de la pompe pour créer le gain de pression dans les cavités 4.

7 Les performances de la pompe sont ainsi conservées dans le temps, et l'usure ou la dégradation chimique et thermique des éléments formànt la pompe notamment le stator sont réduites.
Le jeu négatif, ainsi que l'étanchéité sont ainsi préservés au fil de l'érosion de la partie 2a en contact avec le rotor.

Selon une autre variante de réalisation, le fluide présent dans l'espace 13 est isolé
du fluide pompé. La valeur de pression de ce fluide est notamment fonction de la valeur de la pression de refoulement de la pompe, et contrôlée, par exemple, par un équipement extérieur tel que celui décrit aux figures 7 et 8.

La figure 7 décrit un premier mode de réalisation où le fluide remplissant l'espace 13, provient d'une source extérieure 14 en liaison avec cet espace, au moyen d'un conduit 15 aboutissant à un orifice 16 au niveau du carter 1 de la pompe. Le conduit 15 peut être équipé
de moyens appropriés et connus de l'Homme du métier, tels qu'une vanne de contrôle de débit ainsi que des moyens de mise en pression du fluide provenant de la source auxiliaire.
La valeur de la pression est ajustée de façon à optimiser la contrainte de la partie 2a du stator sur le rotor, pour atteindre le gain de pression requis, tout en limitant l'effort de friction entre la partie 2a du stator et le rotor.
La figure 8 schématise un autre mode de réalisation dans lequel, la source 14 comportant le fluide auxiliaire est en liaison avec l'espace 13 par un conduit 15 débouchant au niveau d'un orifice 16 dans le carter 1 et aussi par un conduit 17 relié au conduit de refoulement 18 communiquant avec l'orifice d'évacuation de la pompe.
Ce mode de réalisation permet notamment de mettre le fluide pompé à une pression qui est fonction de la pression de refoulement de la pompe.

Sans sortir du cadre de l'invention, et selon un autre mode de réalisation non représenté sur les figures, la partie 2b est par exemple constituée d'un matériau qui sous l'effet d'une force appliquée selon une direction correspondant sensiblement à
l'axe de la pompe, va se déformer pour appliquer une contrainte transverse sur le rotor.
De cette manière on assure l'étanchéité entre le rotor et le stator et aussi le gain de pression requis pour le pompage du fluide.

La fabrication d'une pompe selon l'invention peut être réalisée de plusieurs manières dont une est donnée à titre illustratif et nullement limitatif en accord avec les figures 9 à 11.

8 Dans cet exemple, la partie 31 a du stator correspondant à la partie 2a de la figure 2, est constitué d'un alliage de cuivre.
On utilise un mandrin 30 métallique, par exemple, qui permet d'obtenir la forme pour la partie 31 a du stator qui va se trouver au contact du rotor. La forme du mandrin est choisie par rapport au rotor qui va être utilisé dans la pompe finale.
On procède, par exemple, en mettant en oauvre les étapes suivantes :
1) on introduit le mandrin 30 dans un élément 31 ayant une forme sensiblement cylindrique sur la majorité de sa longueur, et deux extrémités 32 et 33 de forme sensiblement conique, 2) on enfile l'ensemble (mandrin et élément) dans un élément formant enveloppe 34, sensiblement cylindrique, et qui peut être le carter 1 de la pompe.
L'enveloppe 34 ou le carter 1 auront une fonction comparable à une chambre de confinement lorsque l'on introduira la pression nécessaire pour mettre en forme l'élément 31. Pour cela, l'enveloppe comporte notamment un ou plusieurs orifices 35, ou ouvertures de communication vers l'extérieur, permettant notamment le passage d'un fluide.
Ces orifices sont en liaison avec par exemple une source externe qui contient un fluide et des moyens de mise en pression de ce fluide et de régulation de débit du fluide injecté dans l'espace 13, 3) on introduit au travers de la ou des ouvertures 35, le fluide sous pression pour que l'élément 31 épouse la forme du mandrin 30 (figure 10). De manière à faciliter la mise en forme de cet élément sur le mandrin, les deux extrémités 32 et 33 peuvent être libres en rotation ou entraînées en rotation, 4) une fois la forme obtenue pour l'élément 31 constituant en final la partie 31 a du stator, on fait éventuellement circuler un produit adhésif de manière à ce qu'il recouvre toutes les parois de l'espace 13, 5) on procède ensuite à l'injection du matériau élastique par exemple un élastomère, afin d'obtenir la partie 31 b du stator. L'élastomère peut se présenter sous une forme fluide, ou liquide, 6) on procède à une étape de polymérisation afin de donner la forme finale au matériau, et 7) on retire alors le mandrin, par exemple en le dévissant simplement.
La figure 11 schématise un mandrin 30 pourvu de différents passages ou orifices ayant notamment pour fonction d'évacuer l'air éventuellement prisonnier entre l'élément métallique 31 et la surface externe du mandrin lors de la mise en forme.
Il peut exister un passage 36 s'étendant par exemple sur la longueur du mandrin, ainsi que plusieurs orifices 37 qui s'étendent selon une direction sensiblement perpendiculaire au passage 36.

9 Ces moyens de circulation 36, 37 permettent également d'injecter un fluide lubrifiant entre le mandrin 30 et l'élément 31 pour décoller les deux éléments et faciliter le dévissage du mandrin.

Pour fabriquer la pompe décrite à la figure 4, on procède par exemple à une étape supplémentaire qui consiste à enlever l'enveloppe 34 après l'étape de mise en forme, mettre en place le réseau métallique 11. On remet ensuite le carter 1 ou l'enveloppe utilisée, et on le solidarise à nouveau pour procéder à l'étape 4) lorsqu'elle existe ou directement à l'étape 5).
Une autre manière de procéder consiste à mettre en place le réseau métallique 11 à
l'intérieur de l'enveloppe 34 avant d'introduire l'ensemble constitué du mandrin 30 et de la partie 31 à mettre en forme.
On procède ensuite aux différentes étapes en commençant par l'étape 1).

Les étapes données ci-dessus pour illustrer un mode de fabrication seront réalisées ou non, selon le mode de réalisation du stator.
Ainsi, pour'fabriquer un stator tel que décrit aux figures 5, 6 et 7, les étapes 4), 5) et 6) ne sont pas exécutées.

Sans sortir du cadre de l'invention, la structure du stator décrite aux figures précédentes peut s'appliquer pour réaliser le stator d'un moteur utilisé
notamment dans le domaine du forage, par exemple dans des applications fond de puits.
Le moteur est en liaison avec un outil de forage selon une disposition décrite par exemple dans le brevet US 5,171,138.

Claims (12)

1. Pompe à cavités progressantes destinée à communiquer de l'énergie à un fluide, ladite pompe comportant au moins un carter (1), un stator (2) et un rotor métallique (3), ledit rotor étant disposé à l'intérieur dudit stator, caractérisée en ce que le stator (2) est constitué d'au moins deux parties, une première partie (2a) constituée d'un métal et une deuxième partie (2b) disposée entre la paroi (la) interne du carter et la première partie (2a), ladite première partie étant en contact avec le rotor (3), ladite deuxième partie étant adaptée pour appliquer et/ou conserver une contrainte a de la première partie (2a) sur le rotor (3) afin d'obtenir le gain en pression requis pour le fluide pompé.

2. Pompe selon la revendication 1 caractérisée en ce que la première partie (2a) permet de préserver les propriétés de la deuxième partie (2b).

3. Pompe selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisée en ce que la deuxième partie (2b) est constituée d'un élastomère.

4. Pompe selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée que la deuxième partie (2b) est constituée d'un réseau métallique (11) noyé dans une matrice d'élastomère (10)

5. Pompe selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la deuxième partie (2b) comporte un fluide ayant une valeur de pression suffisante pour appliquer une contrainte requise de la première partie (2a) sur le rotor.

6. Pompe selon la revendication 5 caractérisée en ce que ledit fluide sous pression est une partie du fluide pompé.

7. Procédé de fabrication d'une pompe à cavités progressantes comportant au moins un carter (1, 34), un stator (2) constitué d'au moins une première partie (2a, 31a) en contact avec un rotor (3) et d'une deuxième partie (2b, 31 b), caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
1) on dispose un mandrin (30) ayant une forme choisie en fonction de la première partie (31 a) du stator, à l'intérieur d'un élément (31) en matériau métallique, l'ensemble étant lui même disposé dans ledit carter (34) pourvu d'un ou de plusieurs orifices (35) ; ladite première partie (2a, 31 a)étant constituée en un matériau peu élastique, 2) on applique sur l'élément (31) une pression suffisante pour mettre en forme l'élément (31), afin qu'il épouse la forme du mandrin (30), et former ladite première partie (31 a), 3) on retire le mandrin, et en ce que ladite deuxième partie (2b, 31b) est adaptée pour appliquer et/ou conserver une contrainte .sigma. de la première partie sur le rotor afin d'obtenir le gain en pression requis pour le fluide pompé

8. Procédé de fabrication selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'au cours de l'étape 2), on introduit un fluide sous pression entre le carter ( 34 ) et l'élément ( 31) .

9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8 caractérisé en ce que l'on injecte dans l'espace formé par le carter (34 ) et la paroi externe de l'élément (31) un matériau polymérisable et on soumet l'ensemble à une étape de polymérisation, de manière à former la deuxième partie (31 b) du stator.

10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'on injecte un matériau adhésif avant d'injecter le matériau polymérisable.

11 . Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'on positionne entre l'enveloppe (32) et l'élément (31) des moyens (11) permettant de dissiper la chaleur, avant d'injecter le matériau polymérisable et/ou de centrer la partie (31a) par rapport au carter (1)

12. Application de la pompe selon l'une des revendications 1 à 6 au pompage d'un effluent pétrolier ou à des fluides agressifs.