CA3100403C - Element de stator d'une pompe a cavites progressives et pompe a cavites progressives - Google Patents

Abstract

Élément de stator d'une pompe à cavités progressives, l'élément de stator comportant : un tube d'armature (20) ayant un axe longitudinal (A-A), une face interne (22) et une face externe (24), et un chemisage en élastomère fixé sur la face interne du tube d'armature. Au moins une portion du tube d'armature (20) présente une épaisseur (e) sensiblement constante et ladite portion du tube d'armature (20) est déformée de manière à ce qu'elle comprenne aux moins un premier relief (28) et un deuxième relief (30), le premier relief (28) présentant la forme d'une bande hélicoïdale ayant un pas à droite par rapport à l'axe longitudinal (A-A), le deuxième relief (30) présentant la forme d'une bande hélicoïdale ayant un pas à gauche par rapport à l'axe longitudinal (A-A), le premier et le deuxième reliefs se joignant en au moins un tronçon (32).

Description

1 Element de stator d’une pompe a cavites progressives et pompe a cavites progressives La presente invention se situe dans Ie domaine des pompes a cavites progressives utilisees dans des installations de pompage d’hydrocarbure ou de gaz en puits profond. En particulier, la presente invention se rapporte a un element de stator d’une pompe a cavites progressives et a une pompe a cavites progressives comportant un tel element de stator ou plusieurs. Les pompes a cavites progressives sont basees sur Ie principe « Moineau », dit encore « capsulisme Moineau ». Ces pompes peuvent etre utilisees en mode pompe (conversion d’energie mecanique en energie hydraulique) ou bien en mode « turbine » ou « motrice » (conversion d’energie hydraulique en energie mecanique) pour entrainer en rotation Ie trepan d’un moteur de forage de puits producteurs d’hydrocarbures. Les pompes a cavites progressives comprennent un stator et un rotor helicoi’dal insere dans Ie stator. Le stator est generalement constitue d’un tube d’armature realise a partir d’un materiau rigide, typiquement metallique ou composite. Le tube d’armature est generalement cylindrique et presente une epaisseur constante. Un chemisage en elastomere est fixe a I’interieur de ce tube d’armature a l’aide d’un systeme d’adherisation de type colle. Ce chemisage possede un evidemment longitudinal helicoi’dal recevant le rotor helicoi’dal. Le rotor helicoi’dal comporte un lobe de moins que le stator de telle sorte qu’a I’interface entre le rotor et le stator des cavites etanches sont creees. La rotation du rotor dans le stator entraine le deplacement de ces cavites et permet ainsi de pomper un fluide. Dans des conditions d’utilisation extremes telles que par exemple des pressions importantes, de hautes temperatures, une forte abrasivite du fluide ou une vitesse de rotation importante du rotor, le chemisage en elastomere subit des efforts importants selon les directions axiale et orthoradiale. Sous I’effet combine de ces differentes contraintes, le systeme d’adherisation applique entre le tube d’armature et le chemisage peut etre endommage, decolle de la paroi5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 2 interne du tube d’armature et parfois meme detache voire expulse du tube d’armature. Le decollement est particulierement present aux extremites des tubes d’armature, a I’endroit ou le chemisage en elastomere s’arrete autorisant une infiltration du fluide pompe a I’interface entre le tube d’armature et le chemisage. Un tel d&faut peut entrainer une destruction complete du stator de la pompe et une perte de fonction lorsque le chemisage est totalement ou partiellement desolidarise de la paroi interne du tube d’armature. Pour pallier a ce probleme de decollement, II est connu, notamment par les documents US 2011/0150685, CA 2762358, DE 3322095, de realiser des rainures axiales ou des saillies axiales sur la paroi interne d’un tube d’armature de forme cylindrique. Le tube d’armature ne presente alors plus une epaisseur constante sur toute sa circonference. Ces rainures axiales ou ces saillies axiales permettent de resister a des efforts orthoradiaux mais ne permettent pas de resister simultanement aux efforts axiaux. Le but de la presente invention est de proposer un element de stator ayant un chemisage en elastomere ayant une plus grande resistance aux efforts, et en particulier capable de resister a la fois aux efforts orthoradiaux et aux efforts axiaux. A cet effet, la present© invention a pour objet un element de stator d’une pompe a cavites progressives, ledit element de stator comportant : • un tube d’armature ayant un axe longitudinal A-A, une face interne et une face externe, et • un chemisage en elastomere fixe sur la face interne du tube d’armature, caracterise en ce qu’au moins une portion du tube d’armature presente une epaisseur sensiblement constante et en ce que ladite portion du tube d’armature est deformee de maniere a ce qu’elle comprenne au moins un premier relief et un deuxieme relief, le premier relief presentant la forme d’une bande helicoidale ayant un pas a droite par rapport a I’axe longitudinal A-A du tube d’armature, le deuxieme relief presentant la forme d’une bande helicoidale5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 3 ayant un pas a gauche par rapport a I’axe longitudinal A-A du tube d’armature, Ie premier relief et Ie deuxieme relief se joignant en au moins un tronpon. Suivant des modes particuliers de realisation, I’element de stator comporte I'une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : - Le premier relief et Ie deuxieme relief se joignent en plusieurs trongons, et dans lequel les zones intermediaires situees entre le premier relief et le deuxieme relief presentent une forme d’un polygone au moins d’ordre 3. - Le premier relief et le deuxieme relief forment des sillons sur la face externe de la portion du tube d’armature. - Le chemisage en elastomere presente une face externe fixee a la face interne du tube d’armature et une face interne de forme helicoidale ayant un pas. Le pas de la bande helicoidale du premier relief est identique au pas de la forme helicoidale de la face interne du chemisage en elastomere. - Le tube d’armature comporte a chaque extremite une portion cylindrique. L’element de stator comporte au moins une bague de retenue axiale fixee sur la portion cylindrique de I’element de stator, ladite bague de retenue ayant une section radiale de forme generale en U propre a enceindre une partie d’une extremite longitudinale du chemisage en elastomere. - Au moins une face interne d’une branche axiale de la bague de retenue presente des protuberances en forme de dents de scie. L’invention a egalement pour objet une pompe a cavites progressives comportant : - un rotor helicoidal monte rotatif dans le chemisage en elastomere, - au moins un premier et un deuxieme elements de stator conformes aux caracteristiques mentionnees ci-dessus, - un tronqon tubulaire emmanche, d’un cote, dans ladite portion cylindrique du premier element de stator et, de l’autre cote, dans ladite portion cylindrique du deuxieme element de stator, ledit tronqon tubulaire etant en appui, d’un cote, contre la bague de retenue du premier element de stator et, de l’autre cote, contre la bague de retenue du deuxieme element de stator, ledit tron^on5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 4 tubulaire formant une butee propre a empecher Ie deplacement axial des bagues de retenue. Suivant des modes particuliers de realisation, la pompe a cavites progressives comporte I'une ou plusieurs des caracteristiques suivantes : - La pompe comporte en outre un embout tubulaire ayant une portion filetee et une portion opposee emmanchee dans une autre portion cylindrique du deuxieme element de stator, ledit embout tubulaire formant une butee empechant Ie deplacement axial de la bague de retenue. - La portion cylindrique du premier element de stator, la portion cylindrique du deuxieme element de stator et Ie tronQon tubulaire sont fixes par soudage. - La portion cylindrique du deuxieme element de stator et I’embout tubulaire sont fixes par soudage. L’invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre, donnee uniquement a titre d’exemple et faite en se referant aux figures sur lesquelles : - la figure 1 est une vue eclatee de cote d’une pompe a cavites progressives ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d’un element de stator selon un premier mode de realisation de l’invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d’une portion d’un tube d’armature de I’element de stator illustre sur la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale de la portion de tube d’armature illustree sur la figure 3 ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d’une partie de deux elements de stator selon un second mode de realisation de l’invention, les deux elements de stator etant partiellement assembles; - la figure 6 est une vue en coupe transversale de I’element de stator illustre sur la figure 5 selon Ie plan de coupe VI-VI ; et5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 5 - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d’un assemblage d’une partie d’un element de stator selon Ie second mode de realisation et d’un embout tubulaire. La presente invention concerne un element de stator et une pompe a cavit6s progressives pouvant etre utilisSe comme pompe ou comme moteur de forage. En reference a la figure 1, la pompe a cavites progressives 2 selon un premier mode de realisation de I’invention comporte un premier 4, un deuxieme 6 et un troisieme 8 elements de stator, deux trongons tubulaires 10, 12, deux embouts tubulaires 14, 16 et un rotor 18 helicoidal monte rotatif dans les elements de stator, les trongons tubulaires et les embouts tubulaires. Chaque trongon tubulaire 10, 12 est emmanche entre deux elements de stators 4, 6 et 6, 8 et permet de fixer les elements de stator les uns aux autres et de les centrer les uns par rapport aux autres. Les embouts tubulaires 14, 16 sont emmanches aux extremites libres du premier 4 et du troisieme 8 elements de stator. Ils comprennent une portion filetee 13 permettant la fixation de la pompe 2 a une autre pompe ou a un carter d’une installation de pompage. Le premier 4, Ie deuxieme 6 et Ie troisieme 8 elements de stator sont identiques. Ils peuvent etre mis en oeuvre selon un premier mode de realisation illustre sur les figures 2 a 4 ou selon un deuxieme mode de realisation illustre sur les figures 5 a 7. En reference a la figure 2 le premier element de stator 4 selon le premier mode de realisation comporte un tube d’armature 20 s’etendant le long d’un un axe longitudinal A-A, et un chemisage en elastomere 26 fixe dans le tube d’armature. Le tube d’armature 20 comprend une portion centrale deformee 21 et, a chacune de ses extremites, une portion cylindrique 23 de base circulaire. II presente une face interne 22 et une face externe 24. Le chemisage en elastomere 26 presente une face externe 40 fixee a la face interne 22 du tube d’armature, et une face interne 42 de forme helicoidale ayant un pas p1.5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 6 En reference aux figures 3 et 4, la portion centrale 21 du tube d’armature 20 presente une epaisseur e sensiblement constante et est deformee de maniere a ce qu’elle comprenne un premier relief 28 et un deuxieme relief 30. Les reliefs 28, 30 peuvent etre des bosses ou des enfoncements. Ils sont par exemple obtenus par moletage de la face interne 22 ou de la face externe 24 de la portion centrale du tube d’armature. Le premier 28 et Ie deuxidme 30 reliefs forment sur la face interne de la portion centrale du tube d’armature des elements d’accroche pour le chemisage en elastomere 26. Ces elements d’accroche empechent l’arrachage de celui-ci. En particulier selon la presente invention, le premier relief 28 presente la forme d’une bande helicoidale ayant un pas a droite par rapport a I’axe longitudinal A-A du tube d’armature. Le deuxieme relief 30 presente la forme d’une bande helicoidale ayant un pas a gauche par rapport a I’axe longitudinal A-A du tube d’armature. En raison de cette forme helicoidale et du fait que les pas des bandes helicoidales sont inverses, le premier 28 et le deuxieme 30 reliefs empechent l’arrachage du chemisage en elastomere quel que soit la direction des efforts appliques sur celui-ci. Ainsi, la solidarisation entre la face interne 22 du tube d’armature et la face externe 40 du chemisage en elastomere resiste mieux aux efforts axiaux et orthoradiaux generes lors de la rotation du rotor helicoidal 18. Selon le mode de realisation prefere de I’invention illustre sur les figures 3 et 4, les reliefs 28, 30 sont constitues par enfoncements de la face externe 24 du tube d’armature. Ces enfoncements sont appeles sillons helicoidaux 34 ci-apres. Ces sillons helicoidaux 34 sont dans cet exemple realises par moletage de la face externe 24 du tube d’armature. Ces sillons helicoidaux 34 forment des indentations helicoidales 36 sur la face interne 22 du tube d’armature. Le premier 28 et le deuxieme 30 reliefs se joignent en plusieurs frontons 32. Des zones intermediaires 38 situees entre le premier relief 28 et le deuxieme relief 30 presentent une concavite opposee a la concavite des premier 28 et deuxieme 30 reliefs. Ainsi, sur le mode de realisation illustre sur les figures 3 et 4, les zones 38 forment des saillies sur la face externe 24 du tube d’armature. Selon ce mode de realisation, ces zones intermediaires 38 ont la forme d’un polygone d’ordre 4.5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 7 Avantageusement, Ie pas p2 de I’helicoide du premier relief 28 est identique au pas p1 de I’helicoide de la face interne 42 du chemisage en elastomere. Le deuxieme et Ie troisieme elements de stator selon Ie premier mode de realisation sont identiques au premier element de stator et ne seront pas decrit en detail. En variante, les reliefs sont constitues par des saillies qui s’etendent vers I’exterieur du tube d’ancrage et qui forment des creux du cote de la face interne du tube d’armature 20. En variante, le tube d’armature 20 est deforme de maniere a ce qu’il comprenne un nombre de reliefs superieur a deux. En variante, le pas de I’helicoide du premier relief 28 et le pas de I’helicoide du deuxieme relief 30 est sensiblement egal ou superieur a la longueur du tube d’armature 20 de sorte que le premier relief 28 et le deuxieme relief 30 se joignent en un unique trongon 32. En variante, les zones 38 positionnees entre la premiere bande et la deuxieme bande presentent la forme d’un polygone d’ordre 3. Les figures 5 a 7 representent des elements de stator selon un second mode de realisation de I’invention. En particulier la figure 5 represente un premier 4 et un deuxieme 6 element de stator partiellement assembles au tron?on tubulaire 10. Les premier, deuxieme et troisieme elements de stator selon le deuxieme mode de realisation de la presente invention sont similaires aux premier, deuxieme et troisieme elements de stator selon le premier mode de realisation a I’exception de I’existence de deux bagues de retenue 44 fixees dans chaque elements de stator. Les pieces des elements de stator selon le deuxieme mode de realisation identiques aux pieces des elements de stator selon le premier mode de realisation comportent les memes references et ne seront pas decrites une seconde fois. En reference aux figures 5 et 6, les bagues de retenue 44 du premier 4 et du deuxieme 6 elements de stator sont propres a retarder I’infiltration du fluide pompe entre le tube d’armature 20 et le chemisage en elastomere 26. Elle5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 8 retiennent les extremites longitudinales du chemisage en elastomere 26 centre la face interne 22 du tube d’armature. Les bagues de retenue 44 sont fixees dans chaque portion cylindrique 23 du tube d’armature 20 coaxialement a l'axe longitudinal A-A. En pratique, Ie chemisage en elastomere 26 est mis en forme par injection d’un melange 6lastom§re cru dans Ie tube d’armature 20 lorsque celui-ci est muni de deux bagues de retenue 44. Les bagues de retenue 44 presentent une section en forme de U propre a enceindre une partie de I’extremite longitudinale du chemisage en elastomere 26. La section radiale en forme d’U des bagues de retenue comporte une branche axiale externe 46, une branche radiale centrale 48 et une branche axiale interne 50. La branche axiale externe 46 est fixee sur la face interne 22 de la portion cylindrique 23 du tube d’armature. La branche radiale centrale 48 forme une butee axiale pour Ie tron^on tubulaire 10 lors de I’assemblage du premier 4 et du deuxieme 6 elements de stator. Une face interieure 52 de la branche axiale interne 50 comporte des protuberances 54 en forme de dent de scies propre a retenir I’elastomere du chemisage 26. Les bagues de retenue 44 ferment des butees empechant Ie deplacement axial du chemisage en elastomere 26 et retardent ainsi son arrachement. Lorsque Ie premier element de stator 4, Ie tronQon tubulaire 10 et Ie deuxieme element de stator 6 sont assembles et fixes ensemble par application d’un materiau de soudage au niveau des chanfreins 56, Ie tron^on tubulaire 10 forme a son tour une butee empechant Ie deplacement axial de la bague de retenue 44 du premier element de stator et de la bague de retenue 44 du deuxieme element de stator. En reference a la figure 7, Ie troisieme element de stator 8 est fixe a I’embout tubulaire 16 par une soudure 57. L’embout tubulaire 16 presente une portion filetee 13 et une portion 58 opposee emmanchee dans la portion cylindrique 23 du deuxieme element de stator 6. Comme visible sur cette figure, la bague de retenue 44 est en appui contre l’embout tubulaire 16. Lorsque I’embout tubulaire 16 est soude au troisieme element de stator, l’emboutWO 2019/224457 CA 03100403 2020-11-16 9 PCT/FR2019/051113 tubulaire 16 forme une butee empechant Ie deplacement axial de la bague de retenue 44.

Claims

10 REVENDICATIONS 1.- Element de stator (4, 6, 8) d’une pompe a cavites progressives, ledit element de stator (4, 6 8) comportant : • un tube d’armature (20) ayant un axe longitudinal (A-A), une face interne (22) et une face externe (24), et • un chemisage en elastomere (26) fixe sur la face interne du tube d’armature, caracterise en ce qu’au moins une portion (21) du tube d’armature (20) presente une epaisseur (e) sensiblement constante et en ce que ladite portion (21) du tube d’armature (20) est deformee de maniere a ce qu’elle comprenne au moins un premier relief (28) et un deuxieme relief (30), Ie premier relief (28) presentant la forme d’une bande helicoidale ayant un pas a droite par rapport a I’axe longitudinal (A-A) du tube d’armature, Ie deuxieme relief (30) presentant la forme d’une bande helicoidale ayant un pas a gauche par rapport a I’axe longitudinal (A-A) du tube d’armature, Ie premier relief (28) et Ie deuxieme relief (30) se joignant en au moins un trongon (32). 2.- Element de stator (4, 6, 8) selon la revendication 1, dans lequel Ie premier relief (28) et Ie deuxieme relief (30) se joignent en plusieurs tronpons (32), et dans lequel les zones intermediaires (38) situees entre Ie premier relief (28) et Ie deuxieme relief (30) presentent une forme d’un polygone au moins d’ordre 3. 3.- Element de stator (4, 6, 8) selon I’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel Ie premier relief (28) et Ie deuxieme relief (30) forment des sillons (34) sur la face externe de la portion (21) du tube d’armature (20). 4.- Element de stator (4, 6, 8) selon I’une quelconque des revendications 1 a 3, dans lequel Ie chemisage en elastomere (26) presente une face externe (40) fixee a la face interne (22) du tube d’armature (20), et une face interne (42) de forme helicoidale ayant un pas (p1), et dans lequel Ie pas (p2) de la bande helicoidale du premier relief (28) est identique au pas (p1) de la forme helicoidale de la face interne (42) du chemisage en elastomere.5 10 15 20 25 30 CA 03100403 2020-11-16 11 5.- Element de stator (4, 6, 8) selon I’une quelconque des revendications 1 a 4, dans lequel Ie tube d’armature (20) comporte a chaque extremite une portion cylindrique (23) et dans lequel ledit element de stator (4, 6, 8) comporte au moins une bague de retenue (44) axiale fixee sur la portion cylindrique (23) de I’6l6ment de stator (4, 6, 8), ladite bague de retenue (44) ayant une section radiale de forme generale en U propre a enceindre une partie d’une extremite longitudinale du chemisage en elastomere (26). 6.- Element de stator (4, 6, 8) selon la revendication 5, dans lequel au moins une face interne d’une branche axiale de la bague de retenue (44) presente des protuberances (54) en forme de dents de scie. 7 Pompe a cavites progressives (2) comportant : - un rotor helicoidal (18) monte rotatif dans Ie chemisage en elastomere (26), - au moins un premier (4) et un deuxieme (6) elements de stator conformes a I’une quelconque des revendications 5 et 6, - un trongon tubulaire (10) emmanche, d’un cote, dans ladite portion cylindrique (23) du premier element de stator (4) et, de I’autre cote, dans ladite portion cylindrique (23) du deuxieme element de stator (6), ledit trongon tubulaire (10) etant en appui, d’un cote, contre la bague de retenue (44) du premier element de stator (4) et, de I’autre cote, contre la bague de retenue (44) du deuxieme element de stator (6), ledit trongon tubulaire (10) formant une butee propre a empecher Ie deplacement axial des bagues de retenue (44). 8.- Pompe a cavites progressives (2) selon la revendication 7, qui comporte en outre un embout tubulaire (14, 16) ayant une portion filetee (13) et une portion opposee (58) emmanchee dans une autre portion cylindrique (23) du deuxieme element de stator (6), ledit embout tubulaire (14, 16) formant une butee empechant Ie deplacement axial de la bague de retenue (44).CA 03100403 2020-11-16 12 9.- Pompe a cavites progressives (2) selon I’une quelconque des revendications 7 et 8, dans lequel la portion cylindrique (23) du premier element de stator (4), la portion cylindrique (23) du deuxieme element de stator (6) et Ie trongon tubulaire (10) sont fixes par soudage. 5 10.- Pompe & cavites progressives (2) selon I’une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel la portion cylindrique (23) du deuxieme element de stator (8) et I’embout tubulaire (16) sont fixes par soudage (57).