La présente invention concerne les systèmes électriques permettant le ralentissement des dispositifs entraînés et a trait plus particulièrement mais non exclusivement aux systèmes d'entraînement de dispositifs entraînés qui sont susceptibles d'emmagasiner au cours de leur fonctionnement une énergie potentielle importante.

L'application principale concernée par l'invention est le système d'entraînement d'une pompe à cavités progressives utilisée dans un puits de pétrole, qui est une pompe à vitesse de rotation lente, typiquement autour de 500 tr/min. La pompe est placée au fond du puits et le système d'entraînement est en haut du puits, la profondeur du puits pouvant dépasser les 2000 mètres.

La pompe est traditionnellement entraînée par un moteur électrique au travers d'un réducteur à poulies/courroie ou à engrenages.

Une installation utilisant une telle pompe emmagasine en fonctionnement une énergie potentielle sous deux formes, à savoir d'une part une énergie de torsion dans la tige d'entraînement générée par le vrillage de la tige sur elle-même et d'autre part une énergie hydrostatique correspondant à la pression exercée par la colonne de fluide présente dans le puits.

En cas de défaillance de l'alimentation électrique du système, cette énergie potentielle est susceptible d'entraîner brutalement la tige d'entraînement en sens inverse et de provoquer un emballement avec une vitesse de dévirage pouvant être dangereuse pour le matériel mais également les personnes.

Un système de freinage est donc prévu afin d'éviter que l'énergie potentielle accumulée entraîne brutalement le système en sens de rotation inverse au fonctionnement normal de la pompe. Ce système de freinage est classiquement un système de freinage centrifuge, devenant actif, au travers d'un anti-dévireur, lorsque la vitesse de rotation en sens inverse dépasse un seuil prédéfini.

Dans le cas où un système de freinage centrifuge est utilisé pour limiter la vitesse de rotation, l'élévation de température résultant de la dissipation de l'énergie par frottement peut dépasser le seuil admissible et entraîner un risque d'explosion en présence de gaz inflammables, ce qui est souvent le cas au niveau d'un puits de pétrole. De plus, le mécanisme anti-dévireur est relativement complexe et coûteux, car le couple à transmettre est élevé.

Le brevet US 6 076 489 décrit ainsi un système de frein mécanique centrifuge, fixé soit sur l'axe lent soit sur l'axe rapide du réducteur et entraîné en rotation uniquement dans le sens inverse du fonctionnement normal de la pompe grâce à un mécanisme anti- dévireur. L'énergie dissipée par frottement ne permet pas de contrôler l'élévation de température résultant du freinage qui peut durer plus d'une heure pour un vidage complet du puits.

Divers autres dispositifs de freinage ont été développés pour tenter de limiter et/ou contrôler la vitesse de rotation de la pompe. Les publications WO 00/25000, US 5 749 416 et US 6 113 355 décrivent un système de ralentissement hydraulique ne freinant que dans un sens. L'élévation de température du fluide dépend de la quantité de fluide dans le système, et un réservoir encombrant pour contenir le fluide peut être nécessaire. Le dimensionnement doit être fait pour les températures ambiantes les plus élevées et chaque cas doit faire l'objet d'une étude sachant que la température du liquide n'est pas régulée.

Les publications US 2005/0205249 et WO 2007/042732 décrivent un système de freinage électrique, dans lequel le moteur devient générateur et l'énergie est dissipée dans un bloc de résistances électriques distant grâce à des contacteurs de puissance. Ce système ne fonctionne pas en cas de défaillance technique du moteur. De plus, les contacteurs de puissance, les sécurités associées et le bloc de résistances rendent le système relativement complexe et coûteux.

Ainsi, la plupart des systèmes connus ne permettent pas, soit de garantir que les températures maximales atteintes au cours du vidage de puits n'atteignent pas des seuils d'explosibilité de l'environnement immédiat au dessus du puits, soit d'assurer une sécurité complètement satisfaisante en survitesse.

Certains systèmes connus répondent à cet objectif, mais au prix de contraintes additionnelles, liées par exemple à l'utilisation de moteurs à aimants ou à la présence de réservoirs de grande capacité.

La présente invention vise à remédier aux inconvénients ci-dessus et y parvient grâce à, selon un premier de ses aspects, un procédé de vidage contrôlé d'un puits de pétrole à pompe immergée, entraînée en surface par un moteur relié à la pompe par une tige d'entraînement, ce procédé comportant une étape consistant à, en cas d'arrêt de l'entraînement de la pompe par le moteur, et mise en rotation de la tige d'entraînement sous l'effet notamment de la pression de la colonne de fluide dans le puits et de l'énergie potentielle de torsion accumulée par la tige d'entraînement, ralentir la tige d'entraînement en exerçant un couple de freinage grâce à un système de ralentissement comportant un ralentisseur à courants de Foucault.

L'invention permet d'assurer une fonction sécuritaire en évitant l'emballement du système en cas de changement des conditions de fonctionnement, de manière autonome sans liaison avec un réseau électrique et en limitant à une valeur de consigne la température maximale de la zone où l'énergie potentielle est dissipée.

Par « vidage contrôlé » il faut comprendre l'écoulement maîtrisé du pétrole accumulé dans le puits lors de son fonctionnement, de manière à éviter un emballement de la rotation inverse de la pompe.

Par « exercer un couple de freinage » il faut comprendre l'application à la tige d'entraînement d'un couple qui s'oppose à son mouvement de rotation inverse et permet de contrôler et/ou de ralentir la tige d'entraînement dans son mouvement.

L'invention a encore pour objet, selon un deuxième de ses aspects, un système de ralentissement de la tige d'entraînement d'une pompe immergée d'un puits de pétrole, comportant un ralentisseur à courants de Foucault.

L'invention présente l'avantage de permettre l'utilisation, pour mettre en rotation la tige d'entraînement de la pompe, de tout type de moteur, asynchrone ou synchrone, et de permettre un vidage rapide du puits dans de bonnes conditions de sécurité.

Le ralentisseur peut être entraîné en rotation par un arbre d'entraînement avec une multiplication de la vitesse de rotation de la tige d'entraînement, notamment par un multiplicateur de vitesse à engrenages, la vitesse d'entraînement du ralentisseur étant de préférence comprise entre 1 et 10 fois la vitesse de rotation de la tige d'entraînement, mieux entre 4 et 8 fois.

Les courants de Foucault peuvent être induits dans un induit par un inducteur bobiné alimenté par un générateur électrique, notamment un générateur à aimants permanents, entraîné par la tige précitée.

L'alimentation électrique de l'inducteur bobiné du ralentisseur par l'induit du générateur se fait avantageusement par l'intermédiaire d'un système de régulation électronique. L'alimentation électrique peut être régulée par le système de régulation électronique pour permettre en premier lieu le fonctionnement du ralentisseur uniquement lors d'une rotation inverse de la tige d'entraînement.

De plus, le courant dans l'inducteur bobiné peut être régulé électroniquement de façon à contrôler le couple de freinage exercé et éviter de dépasser une température limite, notamment maintenir la température de l'induit du ralentisseur à une valeur inférieure ou égale à la température d'anti-déflagrance.

Le courant dans l'inducteur bobiné peut être régulé en fonction de la vitesse de rotation de la tige d'entraînement pour minimiser la durée de vidage du puits. Si la vitesse de rotation tend à augmenter, le couple de freinage est maintenu voire augmenté, et si la vitesse tend à diminuer, le couple de freinage est réduit.

L'induit du ralentisseur peut être refroidi par un liquide pouvant être une huile de lubrification d'un réducteur par lequel le moteur est couplé à la tige d'entraînement et ce liquide peut être mis en circulation par une pompe de lubrification, notamment une pompe assurant la lubrification du réducteur.

L'induit du ralentisseur peut être refroidi par un ventilateur, notamment un ventilateur assurant le refroidissement du moteur.

L'inducteur bobiné et l'induit du ralentisseur peuvent être fixes et comporter entre les deux au moins une, mieux deux armatures mobiles, entraînées en rotation par la tige d'entraînement. Cela présente l'avantage d'une part de faciliter l'alimentation de l'inducteur bobiné, le refroidissement de l'induit par un liquide et d'éviter d'avoir à utiliser un circuit électrique tournant.

Les deux armatures mobiles peuvent être imbriquées l'une dans l'autre, notamment au moyen de griffes.

Le système de ralentissement peut ne pas comporter de mécanisme anti- dévireur entre le ralentisseur et la tige d'entraînement, la détection de la rotation inverse de la tige d'entraînement et l'alimentation de l'inducteur bobiné se faisant grâce au système de régulation électronique relié à l'inducteur du ralentisseur et à l'induit du générateur. On évite ainsi le coût d'un mécanisme anti-dévireur et l'on accroît la fiabilité de l'installation en se mettant à l'abri d'un dysfonctionnement de celui-ci.

La génératrice servant à alimenter l'inducteur bobiné peut être entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un mécanisme anti-dévireur. Toutefois, le couple d'entraînement de la génératrice est relativement faible comparativement au couple de freinage à exercer sur la tige d'entraînement, et le coût d'un tel mécanisme anti-dévireur est relativement peu élevé.

L'invention a encore pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, comportant une pompe immergée, notamment à cavités progressives, un moteur d'entraînement en rotation de la pompe par l'intermédiaire d'une tige d'entraînement et d'un réducteur et un système de ralentissement de la tige tel que défini ci-dessus.

L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :

la figure 1 est une vue schématique d'un puits de pétrole équipé d'une installation de pompage à pompe immergée et d'un système de ralentissement selon l'invention,

les figures 2 à 5 sont des vues schématiques de différentes configurations du système de ralentissement selon l'invention,

la figure 6 est une coupe plus détaillée d'un exemple de système de ralentissement selon l'invention,

la figure 7 est une vue selon VII de la figure 6,

la figure 8 est une coupe selon VIII de la figure 9,

la figure 9 est une vue selon IX de la figure 6,

la figure 10 représente isolément un élément d'armature du ralentisseur, la figure 11 illustre différentes étapes d'un exemple d'algorithme de contrôle du ralentisseur, et

la figure 12 est une vue schématique d'un exemple de circuit électronique de contrôle du ralentisseur.

On a représenté de façon schématique à la figure 1 un puits de pétrole W dans le fond duquel est immergée une pompe P, de préférence une pompe à cavités progressives, celle-ci étant entraînée depuis la surface par un moteur M par l'intermédiaire d'une tige d'entraînement T et d'un réducteur 10.

Un système 20 selon l'invention de ralentissement de la tige d'entraînement T est prévu pour éviter l'emballement de l'installation en cas de changement de ses conditions de fonctionnement, notamment d'arrêt du moteur M, et assurer le vidage du puits W dans de bonnes conditions de sécurité, notamment en termes de température maximale atteinte.

Conformément à l'invention, le système de ralentissement 20 comporte un ralentisseur à courants de Foucault 25.

Système de ralentissement

Ce système de ralentissement 20 peut présenter différentes configurations, dont des exemples ont été donnés de façon schématique aux figures 2 à 5.

Sur ces figures, l'arbre d'entraînement 21 du système de ralentissement 20 a été représenté de façon très schématique, cet arbre 21 pouvant être accouplé mécaniquement de multiples façons à la tige d'entraînement T.

On n'a pas représenté dans un souci de clarté la manière dont l'arbre d'entraînement 21 est entraîné en rotation par la rotation inverse de la tige T, la transmission du couple entre la tige d'entraînement T et le système de ralentissement 20 pouvant s'effectuer de multiples façons, et notamment grâce à multiplicateur de vitesse à engrenages qui permet d'entraîner le système de ralentissement 20 à une vitesse de rotation plus élevée que celle de la tige d'entraînement T.

Dans la configuration préférée, illustrée à la figure 2, le système de ralentissement 20 comporte un ralentisseur 25 à courants de Foucault comportant un induit 23, un inducteur bobiné 24 et deux armatures rotatives 40a et 40b.

Le ralentisseur 25 est alimenté électriquement par une génératrice électrique 30 à aimants permanents.

Dans l'exemple illustré, l'induit 32 de cette génératrice 30 est fixe et l'inducteur comporte des aimants permanents 31 entraînés en rotation face à l'induit 32 par la rotation de l'arbre d'entraînement 21.

La génératrice électrique 30 alimente l'inducteur bobiné 24 du ralentisseur 25 via un circuit électronique 35. L'alimentation de l'inducteur bobiné 24 du ralentisseur 25 par la génératrice 30 permet au système de ralentissement 20 d'être autoalimenté et de continuer à fonctionner lors d'une coupure de courant d'alimentation du moteur M.

Les deux armatures 40a et 40b comportent une pluralité de pôles et sont formées par des griffes 42 agencées pour s'imbriquer. Des ralentisseurs utilisant de telles armatures à griffes sont connus dans d'autres domaines, notamment pour l'orientation de grues) sous les références commerciales RO/12, RO/15, RO/2, RO/3.Les armatures 40a et 40b sont agencées pour conduire le flux magnétique généré par l'inducteur 24 du ralentisseur 25 dans l'induit 23 du ralentisseur 25. Par exemple, les griffes 42 des armatures 40a et 40b imbriquées génèrent une alternance de pôles N et S dans la direction circonférentielle autour de l'inducteur 24 et conduisent le flux à l'induit. Les armatures 40a et 40b étant entraînées en rotation, le champ magnétique dans l'induit 23 génère des courants de Foucault qui, par réaction, exercent un couple de freinage sur les armatures 40a et 40b freinant, de ce fait l'arbre d'entraînement 21 et indirectement la tige d'entraînement T.

Liquide de refroidissement

L'induit 23 du ralentisseur 25 statique peut être refroidi de diverses façons par une circulation de liquide ou de gaz, notamment de l'air ou de l'huile. De préférence, le refroidissement s'effectue avec circulation de liquide.

Le liquide de refroidissement 50 peut refroidir l'induit 23 en circulant à l'intérieur d'une canalisation hélicoïdale 54 s'enroulant autour de ce dernier.

Dans une variante, illustrée à la figure 3, la canalisation hélicoïdale 54 est intégrée dans l'induit 23.

Le liquide de refroidissement 50 peut avantageusement être le même liquide que le liquide de lubrification du réducteur 10. Le liquide de refroidissement 50 peut circuler dans un radiateur 52.

Le radiateur 52 peut, avantageusement, être soumis à une circulation d'air générée par un ventilateur 60. Ce dernier peut être entraîné par l'arbre d'entraînement 21 via un mécanisme anti-dévireur pour ne fonctionner que lorsque le système de ralentissement 20 est en fonctionnement.

Le ventilateur 60 peut être un ventilateur propre au système de ralentissement

20 ou servir également à refroidir le moteur M. Dans ce dernier cas, le ventilateur 60 est entraîné par la mise en rotation inverse du moteur lors du vidage du puits W.

Le liquide de refroidissement 50 de l'induit 23 du ralentisseur 25 peut être mis en circulation par une pompe 51 propre au système de ralentissement 20 ou par la pompe qui sert à lubrifier le réducteur 10. La pompe 51 est entraînée notamment par l'arbre du moteur. En cas de panne de réseau, elle n'est pas affectée. Elle peut délivrer un débit dans un sens donné quel que soit le sens de rotation de l'arbre.

Circuit électronique et régulation

On a représenté de façon schématique à la figure 12 le circuit électronique 35 du système de ralentissement 20, qui permet notamment à celui-ci d'être autoalimenté.

Le système de ralentissement 20 est avantageusement conçu pour fonctionner à une très basse tension électrique, par exemple moins de 50 V, afin d'éliminer les risques de sécurité électrique.

Le circuit électronique 35, qui permet d'alimenter avec la génératrice 30 le ralentisseur 25, peut comporter un circuit d'alimentation 70 qui redresse le courant délivré par l'induit 32 de la génératrice 30, un circuit de contrôle 72 alimenté par le circuit d'alimentation 70 par exemple, et un module électronique de puissance 74 relié à l'inducteur 24 du ralentisseur 25, qui peut également être alimenté par le module d'alimentation 70 et qui est commandé par le circuit de contrôle 72.

Le circuit de contrôle 72 peut commander le module de puissance 74 de façon à réguler le courant dans l'inducteur 24 du ralentisseur 25 et, indirectement, agir sur le niveau de couple de freinage exercé par le ralentisseur 25 sur la tige d'entraînement T.

La régulation peut s'effectuer notamment en fonction de paramètres stockés par exemple dans une mémoire 76 du système de ralentissement 20 et en fonction de l'information reçue d'au moins un capteur de température de l'induit 23, de la vitesse d'entraînement en rotation et du sens de rotation de la tige d'entraînement T.

Les paramètres peuvent être liés aux caractéristiques du puits W et peuvent notamment renseigner le circuit de contrôle 72 sur la profondeur et le diamètre du puits et permettre une adaptation du système de refroidissement 20 à différents types de configurations.

Le cas échéant, le circuit électronique 35 comporte une interface utilisateur 80 qui permet de modifier certains paramètres de fonctionnement, notamment la température maximale que l'induit 23 ne doit pas dépasser et/ou la vitesse maximale admissible par le moteur. Le circuit électronique 35 peut recevoir une information d'au moins un capteur de température et peut déterminer la vitesse et le sens de rotation par des mesures électriques.

La régulation mise en œuvre s'effectue par exemple selon l'algorithme donné à la figure 11.

La régulation peut comporter tout d'abord une détection du sens de rotation de l'arbre 21 couplé au système de ralentissement 20, de façon à ne pas mettre en service celui-ci lorsque le sens de rotation est normal, c'est-à-dire que le moteur M entraîne normalement la tige d'entraînement T pour pomper le pétrole dans le puits W.

La détection du sens de rotation peut s'effectuer de façon conventionnelle par l'analyse du courant sur les phases de l'induit 32 de la génératrice 30. La détection du sens de rotation peut s'effectuer par deux capteurs inductifs disposés à 90° l'un de l'autre un codeur ou une dynamo tachymétrique.

En cas de détection d'inversion du sens de rotation, représentative d'un dysfonctionnement de l'installation, l'inducteur 24 du ralentisseur 25 est alimenté électriquement par le module de puissance 74, de façon à générer un couple de freinage.

Le circuit de contrôle 72 peut déterminer la vitesse de rotation de l'arbre 21 par des mesures électriques sur les phases de l'induit 32 de la génératrice 30 ou à partir d'un codeur optique, et exerce une régulation tendant à exercer un couple plus important si la vitesse est grande et plus faible si la vitesse est faible, de façon à minimiser la durée de vidage du puits W.

En particulier, la vitesse mesurée peut être comparée à une valeur de seuil V _s , et, selon le résultat de cette comparaison, le circuit de contrôle 72 peut commander une diminution du courant dans l'inducteur 24 du ralentisseur 25 si la vitesse est plus faible, de façon à encourager l'accélération de la tige T.

En cas de vitesse excessive, notamment si la vitesse est supérieure à la vitesse de seuil V _s , une mesure de température du liquide de refroidissement 50 ou de l'induit 23 du ralentisseur 25 peut être effectuée, afin d'éviter toute surchauffe. Par exemple, en cas de température supérieure à une température limite T _max , le courant dans l'inducteur 24 du ralentisseur 25 est diminué, tandis que dans le cas où la température n'est pas excessive, notamment inférieure à T _max , le courant dans l'inducteur 24 du ralentisseur 25 peut être maintenu ou augmenté pour maintenir ou accroître le freinage. La mesure de température est éventuellement effectuée sur l'arbre d'entraînement 21 par un capteur de température situé sur l'arbre d'entraînement 21, si l'on veille à ce que l'arbre d'entraînement 21 soit en contact avec le liquide de refroidissement 50 dans une zone proche du capteur. Dans une variante, la mesure de température est effectuée par une ou plusieurs sondes placées dans la bobine de l'inducteur 24.

La régulation mise en œuvre vise à respecter notamment la directive 94/9/CE du parlement européen, également appelée norme ATEX, relative aux équipements et systèmes de protection destinés aux atmosphères explosives.

Afin de renforcer la sécurité du dispositif et limiter tout risque de défaillance, la régulation et la détection des paramètres de fonctionnement, notamment mesure de température, vitesse et sens de rotation peuvent être doublés par un deuxième circuit électronique 35 avec les capteurs associés. La détection des paramètres de fonctionnement s'effectue préférentiellement simultanément par les deux circuits électroniques 35. La détection d'une rotation inverse par au moins un des circuits électroniques entraîne Γ alimentation de 1 ' inducteur 24.

La configuration illustrée à la figure 3 diffère de celle qui vient d'être décrite à la figure 2 par le fait que l'inducteur du ralentisseur 24, les armatures 40a et 40b, l'induit 32 de la génératrice 30 et le circuit électronique de régulation 35 sont montés tournants, entraînés en rotation par l'arbre 21.

La configuration illustrée sur les figures 4 et 6 à 9 diffère de celle décrite à la figure 2 par le fait que l'induit 23 du ralentisseur 25 est entraîné en rotation par l'arbre 21. L'induit 23 est notamment à ailettes, afin de s'affranchir d'un circuit liquide de refroidissement. Le refroidissement de l'induit 23 peut être complété par un courant d'air généré par un ventilateur 60, lorsque celui-ci est présent. Le ventilateur 60 peut être entraîné en rotation par Γ arbre d' entraînement 21.

Le courant d'air généré par le ventilateur peut entrer dans le carter du système de refroidissement par une grille 61 et circuler dans ce dernier notamment par des ouvertures 63 reliant les différentes parties du système de refroidissement 20 et être évacué par des ouvertures 64 du carter du système de refroidissement 20.

Dans la variante décrite à la figure 5, le système de refroidissement 20 comporte un ralentisseur 25 à aimants permanents entièrement passif, sans régulation électronique, entraîné en rotation par un mécanisme anti-dévireur 33. L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits.

La régulation électronique peut être analogique, en exerçant notamment un couple de freinage proportionnel à la vitesse de la tige.

L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un ».