La présente invention porte sur une architecture de pompe volumétrique de type à cavités progressives permettant l'augmentation significative de la fiabilité et des performances de la pompe en production.

La pompe à cavités progressives - désignée également ci-après par l'abréviation PCP - a été inventée par René Moineau en 1930 et le fonctionnement des PCP industrielles utilisées actuellement correspond aux principes de base.

Afin de décrire l'architecture de la PCP selon la présente invention, on commence par montrer le fonctionnement de la PCP traditionnelle en soulignant les processus qui conditionnent la fiabilité et les performances de cette pompe.

Ensuite, on présente la PCP selon l'invention ainsi que son fonctionnement et sa capacité d'améliorer la fiabilité et les performances en production.

L'architecture de la PCP traditionnelle comporte un rotor métallique hélicoïdal à l'intérieur d'un stator hélicoïdal, élastique (en élastomère) ou rigide (métallique, en matériaux composites).

La figure 2A est une section longiligne d'une PCP 1 traditionnelle, avec stator hélicoïdal élastique, selon l'état de la technique. La figure 2B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 2A.

Comme visible sur les figures 2A et 2B, la PCP traditionnelle 1 avec stator élastique est constituée d'un rotor métallique hélicoïdal 2 tournant à l'intérieur d ^' un stator hélicoïdal 3, généralement en élastomère, contenu dans un carter 5. La géométrie de la PCP conduit à un ensemble de

cavités isolées 4 de volume constant, définies entre le rotor 2 et le stator 3, que le rotor 2 déplace de l'aspiration ou entrée (basse pression) vers le refoulement ou sortie (haute pression).

En ce sens la PCP est une pompe volumétrique, capable d'assurer le transport des divers produits : liquides plus ou moins visqueux, mélanges polyphasiques (liquide, gaz, particules solides).

Le stator 3, en élastomère, présente une épaisseur radiale Hl au niveau de ses parties concaves et une épaisseur radiale H2 au niveau de ses parties convexes. Par exemple, le stator 3 de diamètre extérieur de 7 cm comporte les épaisseurs Hl de 2,5 cm et H2 de 1,5 cm.

Pour s'assurer que la PCP 1 comprime les fluides (liquides et gaz) avec une quasi-étanchéité entre les cavités 4, le rotor 2 en rotation hélicoïdale exerce une forte compression sur l'élastomère du stator 3. Compte tenu des risques de dommage sur le stator 3, la fiabilité des PCP est le problème majeur de l'application industrielle de ces pompes.

Par exemple, l'industrie pétrolière utilise les PCP dans les puits profonds, pour pomper les mélanges d'huile, d'eau et de gaz, chargés de particules solides. Dans les conditions de pompage au fond du puits, l'élastomère du stator 3 soumis aux processus thermiques, chimiques et mécaniques complexes (pression et forces dynamiques), se dilate et augmente ainsi les forces exercées par le rotor 2 sur le stator 3.

En conséquence, la durée de fonctionnement en production des PCP traditionnelles se réduit considérablement.

A l'aide du schéma des figures 2 A et 2B on peut décrire le comportement du stator 3 de la PCP traditionnelle, soumis aux forces exercés par le rotor 2 en mouvement hélicoïdal.

Le fonctionnement de la PCP 1 traditionnelle comporte un contact serré, par interférence entre le rotor 2 et le stator 3 en élastomcre, qui cumule deux fonctions :

- la relative étanchéité nécessaire au pompage des cavités 4, de l'aspiration (basse pression) au refoulement (haute pression)

- la concentration et la transmission des forces à travers le stator 3 vers le carter 5.

Ainsi, afin de limiter les fuites entre les cavités 4, le rotor 2 exerce une force de compression PI sur le stator 3, qui se déforme d'une hauteur hl, généralement appelée interférence, sur une longueur de l'interférence de Ll. Dans le cas mentionné précédemment, la longueur Ll est d'environ 4 cm.

Par conséquent, l'interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3 assure une quasi- étanchéité des cavités 4, limitant ainsi les fuites.

En même temps, le mouvement hélicoïdal du rotor 2 engendre une force de cisaillement Ql sur le stator 3. Plus l'interférence hl est grande, plus les forces de compression PI et les forces de cisaillement Ql sont importantes, et le risque de dommage sur le stator 3 est grand. En pratique, on adopte une interférence initiale hl entre le rotor 2 et le stator 3 ; c ^' est le résultat d'un compromis entre des efforts acceptables et une relative étanchéité limitant les fuites. Par exemple, pour le stator 3 de diamètre extérieur de 7 cm, mentionné précédemment , on adopte une interférence initiale hl de 0,5 mm.

Cependant, compte tenu des conditions au fond d'un puits pétrolier, le stator 3 subit des changements entraînant l'augmentation des épaisseurs Hl et 112 du stator 3 et de l ^' interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3.

Plusieurs phénomènes peuvent conduire à l'augmentation des épaisseurs Hl et H2 du stator 3 et de l'interférence hl .

• Tout d'abord, les processus thermodynamiques engendrent la dilatation du stator 3. En particulier,

- les produits pétroliers au fond du puits ont souvent des températures élevées,

- la compression du gaz dans la PCP entraîne la montée de la température, notamment dans la partie proche du refoulement de la pompe (hautes pressions),

- le frottement entre le rotor 2 et le stator 3 conduit aussi à l'augmentation de la température,

- la forte épaisseur H1 du stator 3 limite l'évacuation de la chaleur vers l'extérieur, ce qui contribue encore à la dilatation du stator 3.

• La réaction chimique de l'élastomère du stator 3 avec les fluides pompés (liquides et gaz) engendre souvent le gonflement du stator 3.

• Compte tenu de la pression dans la pompe, la présence du gaz conduit au gonflement du stator 3 ; en effet, le gaz sous pression pénètre dans l'élastomère et agit sur le stator 3 lors des variations de pression dans la pompe.

• Enfin, le mouvement hélicoïdal et les vibrations du rotor 2 engendrent des forces dynamiques sur le stator 3, en fonction entre autres de l'interférence hl.

Dans ces conditions l'interférence hl est le paramètre déterminant dans l'équilibre entre l ^' étanchéité et les forces de contact entre le rotor 2 et le stator 3.

L'analyse de l'impact de l'interférence hl sur les forces de compression PI et de cisaillement Ql montre le risque de dommage sur le stator 3.

Pour ce faire, on adopte les notations :

- E, le module d'élasticité de l'élastomère (stator 3)

R, le rayon du rotor 2 (figure 2A) C, les constantes

V, la vitesse de rotation du rotor 2 (tours / minute).

En général, on désigne par les fonctions f(V) l'influence de la vitesse V de rotation du rotor 2. sur les forces de compression PI et de cisaillement Ql. et sur l ^' interférence hl entre le rotor 2 et le stator 3.

Ainsi, la formulation analytique met en évidence la corrélation entre l'interférence hl et les forces de compression PI et de cisaillement Ql ; afin de faciliter l'interprétation, les autres paramètres sont regroupés.

Comme visible sur la figure 2B, la force de compression PI exercée par le rotor 2 engendre l ^' interférence hl avec le stator 3.

Le modèle visco-élastique (Bowden) conduit aux expressions ( 1, 2), reliant la force de compression PI et l'interférence hl :

L'approximation linéaire (modèle élastique, Boussinesq ) facilite l'interprétation ( les expressions 3,4 )

Les relations (1 ,2,3,4) montrent que les forces de compression PI sont importantes quand l'interférence hl est grande. De plus, ces forces sont concentrées dans un volume situé dans le proche voisinage de la surface de contact S I (figure 2B).

Par conséquent, le gonflement du stator 3 augmente l'interférence hl et conduit à des forces de compression PI importantes concentrées au niveau de surfaces de contact SI . Ces surfaces de contact S I, illustrées sur les figures 2A et 2B, sont des surfaces de la face interne de l'élastomère du stator 3 positionnées en regard d'une partie convexe du rotor 2.

Les relations (3,4) décrivent la compression élastique (Boussinesq) du stator 3 sous l'effet des forces de compression PI . Si on note la raideur du stator en élastomère Ks, on constate que le comportement du stator 3 est équivalent à la réponse d'un ressort élastique, à vitesse du rotor V constante :

Le mouvement hélicoïdal du rotor 2 engendre une force de cisaillement Q 1 qui dépend aussi de l'interférence hl (figure 2B). L'approche élasto-plastique (Hill) conduit à la relation

Les forces de cisaillement Ql exercées sur le stator 3 sont fonction de l'interférence hl, Ql = F(hl) ; plus l'interférence hl est grande, plus le risque d'endommager le stator est fort. Or comme mentionné précédemment, les PCP traditionnelles 1 doivent comporter une interférence initiale hl de l'ordre de 0,5 mm pour assurer l'étanchéité des cavités 4. Compte tenu de conditions de production au fond du puits pétrolier (thermodynamiques - chimiques- dynamiques), le stator subit l'augmentation des épaisseurs Hl et H2 de l'ordre 5 - 10 %, et en fonction des caractéristiques de l'élastomère, l'interférence augmente de l'ordre de 1 mm ce qui signifie qu'elle est multipliée par 2. Dans ces conditions les forces de pression Pl et les forces de cisaillement Ql sont multipliées par 2 aussi. Quant aux forces dynamiques exercées par la rotation hélicoïdale du rotor 2 sur le stator 3, elles dépendent de la vitesse V de rotation de la pompe; pour produire (les débits et les pressions) dans des conditions économiques, les PCP tournent à la vitesse de 200 - 500 tours / minute. Compte tenu des conditions de pompage dans le puits, la durée de fonctionnement du stator 3 en élastomère se réduit significativement ; l'expérience montre que la moyenne est de 1 an, mais on rencontre des stators endommagés après 1-3 mois de fonctionnement.

Les vibrations du rotor 2 dépendent de la fréquence propre du rotor 2 et de la vitesse de rotation de la pompe et elle peuvent être très importantes, notamment à la résonance entre le rotor 2 et la vitesse (fréquence) de rotation. L'amplitude des vibrations du rotor 2, perpendiculaires à l'axe X-X, engendre l'augmentation de l'interférence hl,et par conséquent, les forces de compression Pl et de cisaillement Ql exercées sur le stator 3 augmentent aussi.

Ainsi, le mode de fonctionnement de la PCP traditionnelle 1 concentre les efforts au niveau du contact rotor 2 - stator 3, et entraîne souvent la dégradation du stator 3. Du point de vue pratique, l'opérateur pétrolier est obligé de sortir la pompe endommagée du puits et de la remplacer; c'est une opération longue, pendant laquelle le puits ne produit plus, dont les conséquences économiques sont importantes.

Plus récente, la PCP 24 comportant un stator hélicoïdal rigide (métallique, matériaux composites) est présentée, en section longiligne dans la figure 6. Cette pompe comporte un rotor hélicoïdal 7 tournant à l'intérieur du stator hélicoïdal rigide 25; entre le rotor 7 et le stator 25 il y a un jeu 26.

Du point de vue pratique, le stator 25 fabriqué dans un matériau rigide (métal, matériaux composite) est monté à l'intérieur du carter 19; ensuite, on introduit le rotor hélicoïdal 7 à l'intérieur du stator 25 rigide, avec un jeu 26. L'architecture de cette PCP est semblable à celle de la PCP traditionnelle; la différence consiste dans le fait qu'il y a un jeu 26 entre le rotor 7 et le stator 25 rigide.

Cette PCP 24 est utilisée notamment pour le pompage des liquides visqueux (huiles lourdes); ainsi, le rotor 7 transporte le liquide visqueux et un film liquide se forme dans le jeu 26 entre le rotor 7 et le stator rigide 25. En fonction du mode de fabrication, ce jeu est inférieur à 1 mm.

Par conséquent, sans contact entre le rotor 7 et le stator 25, la PCP 24 pompe des liquides visqueux (huiles lourdes).

Compte tenu du fait qu'il y a ce jeu 26, la rotation du rotor hélicoïdal 7 à des vitesses de 200 - 500 tours/minute, engendre des vibrations (résonance, vibrations instables) et des chocs entre le rotor 7 et le stator 25.

Par exemple, si les fréquences propres du rotor 7 et/ou du stator rigide 25 sont du même ordre de grandeur que celle de la vitesse de rotation (vitesses de 200-500 tours par minute), les forces dues aux vibrations et chocs sont multipliées par 6-8; le rotor 7 et le stator 25 ne peuvent pas résister longtemps à ces forces.

La réponse dynamique de la PCP 24 avec stator rigide 25 risque d'endommager le rotor 7 et/ou le stator 25. Dans ces conditions, l'opérateur pétrolier doit procéder au remplacement de la pompe, ce qui est une opération lourde avec des conséquences économiques importantes.

Le but de la présente invention est de proposer une PCP plus fiable, présentant une durée de fonctionnement plus longue, de manière à réduire les coûts de production. A cet effet, la présente invention a pour objectif une nouvelle architecture de pompe à cavités progressives (PCP) permettant d'augmenter notablement la fiabilité et les performances de la pompe.

A ces fins, la présente invention propose une pompe à cavités progressives comportant :

- un carter de forme cylindrique d'axe longitudinal; ledit carter étant pourvu, à une extrémité, d'une ouverture d'entrée et à son extrémité opposée, d'une ouverture de sortie,

- un stator hélicoïdal contenu à l'intérieure dudit carter ; ledit stator hélicoïdal comprenant un cylindre hélicoïdal ayant un axe central confondu avec l'axe longitudinal dudit carter;

- un rotor hélicoïdal propre à tourner à l'intérieur dudit cylindre hélicoïdal pour déplacer un fluide de l'ouverture d'entrée vers l'ouverture de sortie,

caractérisée en ce que ledit stator hélicoïdal comporte en outre au moins un compensateur agencé dans ledit carter, entre le carter et ledit cylindre hélicoïdal; ledit cylindre hélicoïdal et ledit compensateur étant propres à se déformer selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal.

Ainsi, les dits compensateurs sont des profils ouverts ou fermés déformables dont la forme, les dimensions et les matériaux utilisés assurent l'élasticité nécessaire à la compensation des déformations du dit stator hélicoïdal.

Selon des modes de réalisation nullement limitatifs,

- ledit stator hélicoïdal comporte une couche élastique fixée sur une face intérieure dudit cylindre hélicoïdal.

- ladite couche élastique présente une épaisseur comprise entre 0.5 centimètre et 2 centimètres, en particulier de 0.5 à 1 ,5 centimètre.

- ledit rotor hélicoïdal est propre à tourner à une fréquence de rotation, et en ce que ledit au moins compensateur est apte à découpler les fréquences propres de l'ensemble rotor hélicoïdal et stator hélicoïdal de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal.

- ledit au moins compensateur est défini par un coefficient de raideur (Ko) qui satisfait la relation suivante :

Dans laquelle :

- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal,

- M est la masse totale du rotor hélicoïdal et du stator hélicoïdal. - ledit au moins compensateur est un profil fermé.

- ledit au moins compensateur présente une section de forme elliptique.

- ledit au moins compensateur est un profil ouvert.

- ledit au moins compensateur est agencé sur une portion concave dudit cylindre hélicoïdal.

- ledit au moins compensateur est agencé sur une portion convexe dudit cylindre hélicoïdal.

- ledit stator hélicoïdal comporte plusieurs compensateurs régulièrement répartis tous le long du carter.

- ledit stator hélicoïdal comporte un unique compensateur de forme hélicoïdale agencé autour dudit cylindre hélicoïdal.

- lesdits compensateurs sont fabriqués dans un métal ou dans un matériau composite.

L'invention concerne également l'application d'une pompe telle que mentionnée ci-dessus au pompage des fluides, lesdits fluides étant liquides, liquides visqueux ou gaz, et au pompage de mélanges polyphasiques constitués de liquides et de gaz avec des particules solides.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, non limitative, en se référant aux dessins sur lesquels:

-La figure 1 A est une section axiale de la pompe PCP 6 selon un premier mode de réalisation de la présente invention.

- La figure 1B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 1 A.

-La figure 2A est une section axiale d'une pompe ayant un stator en élastomère de la PCP 1 traditionnelle, connue dans l'état de la technique.

- La figure 2B est une vue agrandie de l'encadré B illustré sur la figure 2A.

- La figure 2C est une section axiale d'une partie de la pompe illustrée sur la figure 1.

- La figure 2D est une vue agrandie de l'encadré D illustré sur la figure 2C.

- La figure 3A est une vue similaire à la vue illustrée sur la figure 2D pour une PCP 6 (illustrée sur les figures 1A et 1B ) ayant une interférence initiale h3 , entre le rotor 7 et la couche élastique 9, avant la mise en production de la pompe, ainsi qu'un schéma représentant un système à ressort équivalent audit ensemble couche élastique 9- compensateur 1 1. - La figure 3B est une vue identique à la vue illustrée sur la figure 3A après la mise en production de la pompe entraînant l'augmentation de l'interférence h'3 > h3, ainsi qu'un schéma représentant un système à ressort équivalent audit ensemble couche élastique 9- compensateur 11.

- La figure 4 est une section axiale d'une partie d ^' une PCP selon un second mode de réalisation de l'invention.

- La figure 5 est une section axiale d'une partie d'une PCP selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

- La figure 6 est une section axiale d'une partie d'une PCP comportant un stator rigide (métallique , matériaux composites ), connue dans l'étal de la technique.

- La figure 7 est une section axiale d'une partie d'une PCP selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et

- La figure 8 est un graphe représentant en abscisse le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration WS de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et. stator hélicoïdal 8, et en ordonnée, l'amplitude des vibrations X : selon une direction perpendiculaire à l'axe central Y-Y du stator hélicoïdal 8.

La pompe PCP 6, selon un premier mode de réalisation de la présente invention illustré sur les figures 1 A et 1 B, comporte un carter 19 de forme cylindrique d'axe longitudinal X-X, un stator hélicoïdal 8 contenu dans le carter 19 et un rotor hélicoïdal 7 propre à tourner dans le stator hélicoïdal 8.

Le carter 19 est pourvu, à une de ses extrémités d ^' une ouverture d'entrée 14 et à son extrémité opposée, d'une ouverture de sortie 15.

Le rotor hélicoïdal 7 est propre à tourner à l'intérieur du stator hélicoïdal 8 à une vitesse prédéfinie ci-apres appelée fréquence de rotation, pour déplacer un fluide de l'ouverture d ^' entrée 14 vers l ^' ouverture de sortie 15.

Le stator hélicoïdal 8. comporte une couche élastique 9 de faible épaisseur, généralement en élastomère, un cylindre hélicoïdal 10 ayant un axe central Y-Y confondu avec l ^' axe longitudinal X-X du carter 19, et des compensateurs 1 1 propres à se déformer pour compenser les variations dimensionnelle radiale du cylindre hélicoïdal 10.

Le cylindre hélicoïdal 10 est en général réalisé en métal ou en matériaux composites. Il est propre à transmettre les forces exercées par le rotor 7 sur la couche élastique 9, vers les compensateurs 1 1. Le cylindre hélicoïdal 10 présente une face 17 en regard du carter 19, ci-après appelée face externe 17 et une face 16 en regard du rotor 7, ci après appelée face interne 16.

Le cylindre hélicoïdal 10 comporte successivement un resserrement de diamètre suivi d'un élargissement de diamètre formant sur la face externe 17 et sur la face interne 16 du cylindre hélicoïdal 10 une succession de portions concaves 12 alternées à des portions convexes 13.

La couche élastique 9 présente une épaisseur constante comprise entre 0.5 centimètre et 2 centimètres, et de préférence comprise entre 0.5 centimètre et 1.5 centimètre.

La couche élastique 9 est fixée sur la face interne 16 du cylindre hélicoïdal 10. La fixation peut se faire par adhésion, par collage ou scion une méthode de fabrication à chaud et/ou par des dispositifs mécaniques d'accrochage.

Les compensateurs 1 1 sont des profils déformables, élastiques. Les compensateurs 1 1 sont propres à se déformer selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) pour ,d ^' une part compenser la dilatation de la couche élastique 9 et d'autre part réduire les vibrations exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9, lorsque le rotor hélicoïdal 7 tourne dans le stator hélicoïdal 8.

Lorsque les compensateurs 11 compensent la dilatation de la couche élastique 9, la dimension des compensateurs 1 1 se réduit selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) pour compenser la dilatation de la couche élastique 9, du cylindre hélicoïdal 10 et du rotor hélicoïdal 7 pendant toute la durée au cours de laquelle la pompe est soumise à des conditions thermiques, chimiques et pression, qui occasionnent cette dilatation.

Lorsque les compensateurs 11 réduisent les vibrations exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9, la dimension des compensateurs 11 va successivement se réduire et s'élargir selon une direction perpendiculaire audit axe longitudinal (X-X) à une fréquence égale à la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7, pour compenser les vibrations du rotor 7.

Selon le premier mode de réalisation de l' invention, les compensateurs 1 1 sont des profils fermés, élastiques. Par exemple, les compensateurs 11 ont la forme d'une coque en aluminium remplie d'air. En variante, les compensateurs 11 sont constitués par une coque en aluminium contenant du caoutchouc.

Selon une autre variante, les compensateurs 11 sont des coques en matériaux composites.

Les compensateurs 1 1 sont agencés dans le carter 19 entre le cylindre hélicoïdal

10 et le carter 19. En particulier, selon le premier mode de réalisation de l'invention illustré sur les figures 1 A et 1B, les compensateurs 1 1 sont fixés contre la paroi interne du carter 19 et contre les portions concaves 12 du cylindre hélicoïdal 10.

Avantageusement, des compensateurs 18 en forme d'anneau entourant le cylindre hélicoïdal 10 sont également fixés entre chaque extrémité du cylindre hélicoïdal 10 et chaque extrémité du carter 19.

Les compensateurs 11,18 sont fixés au carter 19 et au cylindre hélicoïdal 10, par exemple par des dispositifs de fixation ou par une soudure.

Le dimensionnement, la forme, la géométrie et l'épaisseur des compensateurs 1 1 ainsi que les matériaux constitutifs des compensateurs 11 sont choisis de manière à : - compenser les dilatations de la couche élastique 9 (élastomère), du rotor 7 et du cylindre hélicoïdal 10

- réduire les vibrations générées par le couplage entre la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence propre de l'ensemble stator hélicoïdal 8 - rotor 7.

Par exemple, un compensateur 1 1 ayant une section de forme elliptique, dont les axes mesurent 1,2 cm et 4 cm, fabriqué dans une plaque en aluminium d'épaisseur 2 mm, assurent une réduction de 70 % des forces exercées par le rotor 7 sur la couche élastique 9. Un tel compensateur 1 1 ayant une section de forme elliptique peut être utilisé dans un carter 19 ayant un diamètre intérieur mesurant 7 cm (mentionné précédemment).

Dans ce carter 19, l'épaisseur de la couche élastique 9 en élastomère peut par exemple mesurer 1,5 cm et le cylindre hélicoïdal 10 peut être réalisé dans une plaque métallique ayant une épaisseur d'environ 2 mm.

Par conséquent, les compensateurs 1 1 agencés conformément à l'invention, assurent la capacité de la pompe à faire face aux conditions thermodynamiques - chimiques - dynamiques de fonctionnement de la pompe et d'améliorer ainsi la fiabilité et les performances de la PCP 6. Afin d'évaluer l'efficacité des compensateurs 1 1 , on compare la PCP 6 selon l'invention illustrée sur les figures 2C et 2D avec la PCP 1 traditionnelle illustrée sur les figures 2A et 2B.

Comme visible sur les figures 2A et 2B, le stator en élastomère 3 de la PCP 1 traditionnelle est soumis aux processus thermodynamique - chimique - dynamiques, qui entraînent le gonflement de la forte épaisseur Hl, et l'augmentation de l ^' interférence hl .

Ce processus conduit ainsi à des forces de compression PI et de cisaillement Ql importantes, s'exerçant sur la surface de contact S I, entre le rotor hélicoïdal 2 et le stator hélicoïdal 3. Ce qui conduit au risque de dégradation du stator hélicoïdal 3, en élastomère.

Comme visible sur figures 2C et 21), la PCP 6 selon la présente invention, comporte :

- la couche élastique 9 de faible épaisseur H3, par exemple de l'ordre de 1 ,5 cm, généralement en élastomère

- une interférence ente le rotor hélicoïdal 7 et la couche élastique 9, référencée ci-après h3

- le cylindre hélicoïdal 10 sur lequel est fixée la couche élastique 9.

Ce cylindre hélicoïdal 10 transmet les forces exercées sur la couche élastique 9 vers les compensateurs 11. Les compensateurs 1 1 sont capables de compenser la déformation de la couche élastique 9 et de réduire ainsi l'interférence h3 et les forces de compression P2 et de cisaillement Q2. Les compensateurs 11 transmettent les forces au carter 19.

En même temps, les compensateurs 11 contribuent à la réduction des forces dynamiques, engendrées par les vibrations du rotor 7 sur la couche élastique 9. Les propriétés vibratoires des compensateurs 11 dépendent de leur forme, de leur dimensionnement et des matériaux utilisés. Par le choix d'une certaine forme ou l'utilisation d'un certain matériau des compensateurs 1 1 on contrôle les fréquences propres de l'ensemble rotor 7 - stator hélicoïdal 8 , et on évite ainsi la résonance et l'instabilité de la réponse dynamique. Dans ces conditions, les compensateurs 1 1 réduisent les composantes vibratoires des forces de compression P2 et de cisaillement Ainsi, les compensateurs 11 sont aptes à découpler les fréquences propres de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7.

Par exemple, il est courant de constater sur champ pétrolier que le rotor 2 de la PCP 1 traditionnelle présente des instabilités lorsqu'il tourne à 300 tours / minute. Pour éviter la dégradation de la PCP 1 traditionnelle engendrée par ces instabilités, l'opérateur pétrolier est obligé de réduire la vitesse de rotation de du rotor 2 à 150 tous/ minute, ce qui réduit la production.

Grâce aux compensateurs 1 1, la PCP 6 stabilise la réponse vibratoire du rotor 7 ce qui conforte sa capacité de produire à 300 tours / minute, assurant ainsi des conditions économiques de production.

11 en résulte que le fonctionnement de la PCP selon la présente invention, réduit les forces de compression P2 et de cisaillement Q2, et améliore ainsi la fiabilité de la PCP 6.

Comme visible sur la figure 3A, avant la mise en production de la pompe, la couche élastique 9 de la PCP 6 présente une épaisseur H3 et une interférence h3 avec le rotor hélicoïdal 7. Le système équivalent mécanique de l'ensemble couche élastique 9 - compensateurs 1 1 est constitué par deux ressorts ayant des raideurs différentes. Ks est la raideur équivalente de la couche élastique 9 et Ko est la raideur du compensateur 1 1.

Après la mise en production de la pompe, le processus thermique - chimique- dynamique engendre le gonflement de la couche élastique 9 dont l'épaisseur devient H'3 > H3, ce qui entraîne l'augmentation de l'interférence h' 3 > h3.

Comme visible sur la figure 3B, après la mise en production de la pompe; la dimension du compensateur selon une direction perpendiculaire à l'axe X-X se réduit pour compenser l'augmentation de l'interférence.

En conséquence, les compensateurs 11 sont dimensionnés pour compenser le gonflement de la couche élastique 9 et pour réduire les forces s'exerçant sur la couche élastique 9. Leur dimensionnement est choisi de manière à maintenir l'interférence initiale, c'est-à-dire h'3 ~ h3. Lorsque cette interférence h'3 est maintenu quasi- constante, les forces de contact de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 - couche élastique 9 sont maintenues au niveau requis. Pour ce faire, il faut caractériser l'élasticité de l'ensemble couche élastique 9 - cylindre hélicoïdal 10 - compensateurs 11.

La formule (5) de la réponse du stator en élastomère conduit à la raideur équivalente Ks (figures 3A et 3B),

La déformation Xo du compensateur 11 sous l'effet de la force de compression P2 met en évidence la raideur de la structure Ko :

où Eo et 1 sont le module d'élasticité et le moment d'inertie du compensateur 1 1 , r est le rayon caractéristique du compensateur 1 1. Par exemple, dans le cas du compensateur 11 de forme elliptique le rayon caractéristique r est la moyenne des rayons de l'ellipse.

Comme mentionné, après la mise en production de la pompe (figure 3B) le processus thermodynamique - chimique - dynamique engendre le gonflement de la couche élastique 9 ce qui entraîne un changement Ah de Γ interférence :

Les compensateurs 11 selon l'invention, sont choisis de préférence de manière à ce que le gonflement de la couche élastique 9 soit compensé par la compression ΔΧο de chaque compensateur 1 1 :

ce qui signifie que Ah est minimal si h'3≈ h3 :

et alors l'interférence initiale h3 est pratiquement maintenue inchangée malgré le gonflement de la couche élastique 9. Les compensateurs 11 compensent les déformations de la couche élastique 9 et les forces exercées sur l'élastomère de la couche élastique 9 restent au niveau initial.

Aussi, le contrôle de la raideur Ko des compensateurs 1 1 facilite la maîtrise de la réponse dynamique (notamment les fréquences propres), et évite ainsi la résonance avec les vibrations du rotor 7.

A cette fin, les compensateurs 11 présentent selon la présente invention un coefficient de raideur Ko qui satisfait la relation suivante :

Dans laquelle :

- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7,

- M est la masse totale du rotor hélicoïdal 7 et du stator hélicoïdal 8.

Le choix de la raideur Ko des compensateurs 1 1 assure en même temps, la maîtrise des forces de compression et de cisaillement et le contrôle des vibrations.

Compte tenu des conditions thermodynamiques - chimiques- dynamiques (vibrations), l'optimisation des compensateurs 1 1 maintient les forces exercées par le rotor hélicoïdal 7 sur la couche élastique 9 dans la limite de fiabilité requise.

Comme mentionné, la PCP traditionnelle 1 avec stator 3 en élastomère, concentre au niveau de la surface de contact S I entre le rotor 2 et le stator 3, les deux fonctions : la relative étanchéité et les forces de contact élevés (forces de compression PI et forces de cisaillement Ql).

La PCP 6 selon la présente invention, dissocie les deux fonctions :

- Γ étanchéité est maintenue au niveau du contact rotor hélicoïdal 7 - couche élastique 9,

-les forces sont reprises par les compensateurs 11 et transmises au carter 19.

Le fonctionnement de la PCP 6 selon la présente invention conduit à la réduction des forces sur la couche élastique 9 et à l'amélioration de la fiabilité de la pompe.

La figure 4 représente une section axiale de la PCP 20 selon un second mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention ( figures 1A et 1B )ont été représentés sur la figure 4 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.

Selon cette variante de réalisation, les compensateurs 21 sont des profils élastiques ouverts (métalliques ou en matériau composite), chacun placé entre une partie concave 12 du cylindre hélicoïdal 10 et le carter 19.

Les compensateurs 21 ouverts sont capables de compenser les déformations de la couche élastique 9 et de transmettre les efforts au carter 19.

Par exemple, pour la PCP de 7 cm de diamètre extérieur, les compensateurs 21 sont des profils en aluminium en forme de U inversé, de 1,2 cm de hauteur et 3 cm de largeur, dont l'épaisseur est de l'ordre de 2mm.

Par exemple, lesdits compensateur 21 présentent une forme de pion creux ayant un sommet et une base élargie; ledit sommet étant agencé contre ledit cylindre hélicoïdal 10; ladite base élargie étant fixée contre la face interne dudit carter 19.

La PCP 22 selon le troisième mode de réalisation l'invention est illustrée sur la figure 5.

Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention (figures 1 A et 1 B) ont été représentés sur la figure 4 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.

En particulier, cette PCP 22 comporte un rotor hélicoïdal 7 tournant à l'intérieur stator hélicoïdal 8, dont les éléments sont :

- la couche élastique 9 est fixée sur le cylindre hélicoïdal 10,

- les compensateurs 23 sont des coques élastiques fermés de profil quasi - elliptiques réalisé en métal ou en matériau composite. Ils sont agencés entre la partie convexe 13 du cylindre hélicoïdal 10 et le carter 19. Les compensateurs 23 selon ce mode de réalisation de l'invention sont similaires aux compensateurs 1 1 selon le premier mode de réalisation de l'invention mais présente une dimension selon un axe perpendiculaire à l'axe longitudinal (X-X) du carter 19 inférieure à la dimension selon un même axe des compensateurs 11 selon le premier mode de réalisation de l'invention. Us sont donc plus plats que les compensateurs 11.

Les compensateurs 23 sont capables de compenser les déformations de la couche élastique 9 et de transmettre les efforts au carter 19. Par exemple, pour une PCP 22, de 7 cm diamètre extérieur, les compensateurs 23 sont des profils elliptiques plats en aluminium, dont les axes sont de 2 cm et 1 cm et l'épaisseur est de l'ordre de 1 - 2 mm.

La PCP 27 selon le quatrième mode de réalisation l'invention est illustrée sur la figure 7.

Les éléments identiques ou similaires au premier mode de réalisation de l'invention (figures 1 A et lB)ont été représentés sur la figure 7 avec les mêmes références et ne seront pas décrits une seconde fois.

Selon ce mode de réalisation, le stator hélicoïdal 28 comporte un cylindre hélicoïdal rigide 29 et des compensateurs 11 placés entre le cylindre hélicoïdal rigide 29 et le carter 19. En particulier, le cylindre hélicoïdal 29 n'est pas recouvert d'une couche élastique comme dans les autres modes de réalisation de l'invention.

Le cylindre hélicoïdal 29 est réalisé dans un matériau métallique ou un matériau composite.

Avantageusement, les compensateurs 1 1 assurent l'élasticité nécessaire au contact dynamique entre le rotor hélicoïdal 7 et le stator hélicoïdal 28.

Le dimensionnement des compensateurs 1 1 suivant la relation (12) mentionnée précédemment ,conduit à une raideur Ko capable d'adapter les propriétés dynamiques (notamment les fréquences propres) du système hélicoïdal 7 - stator hélicoïdal 28 afin d'éviter les chocs, la résonance et l'instabilité dynamique.

Pour la PCP 24 avec stator rigide 25 connue de l'état de la technique et illustré sur la figure 6, si la fréquence propre du couple rotor hélicoïdal 7- stator rigide 25 est proche de la fréquence de rotation (vitesse 200 - 500 tours/minute) les forces dues aux vibrations et chocs sont multipliées par 6-8 et le risque d'endommagement de la pompe est évident.

L'agencement des compensateurs 11 dans le stator hélicoïdal 28 de la PCP 27 illustrée sur la figure 7 modifie notablement les fréquences propres du stator hélicoïdal 28 et éloigne le couplage avec la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 . Dans ces conditions, les forces de vibrations sont réduites. Elles sont divisées par 6 - 8 par rapport au cas précédent. La réponse vibratoire de la PCP 27 comportant des compensateurs 1 1 , reste dans les limites requises à un fonctionnement optimum de la pompe. Les compensateurs 11 assurent l'élasticité nécessaire au contact dynamique (vibrations) entre le rotor hélicoïdal 7 et le stator hélicoïdal 28, et transmettent les forces au carter 19.

Par exemple, pour la PCP 27 de 7 cm de diamètre , les compensateurs 1 1 sont des profils elliptiques en aluminium , de diamètres 5 et 1,5 cm , dont l'épaisseur est de l'ordre de 2 mm.

Selon les modes de réalisation illustrés sur les figures 1A, 4, 5 et 7, le stator hélicoïdal 8, 28 comporte plusieurs compensateurs 11, 18, 21, 23 régulièrement répartis tous le long du carter 19.

Selon une variante de l'invention non représentée, le stator hélicoïdal 8 comporte un unique compensateur de forme hélicoïdale agencé autour dudit cylindre hélicoïdal 10.

En variante, les compensateurs sont constitués par des soufflets ou des ressorts.

En conclusion, on constate que la PCP traditionnelle 1 (avec stator en élastomère) cumule, au niveau du contact rotor - stator , deux fonctions :

- une relative étanchéité limitant les fuites entre les cavités

- la concentration des forces de contact et leur transfert vers le carter

Ainsi, comme il a été exposé, le processus thermodynamique - chimique - dynamique entraînent l'augmentation du volume du stator, ce qui se traduit par des efforts excessifs capables d'endommager le stator.

Les statistiques montrent que la durée de fonctionnement de ces pompes dans les puits pétroliers, est de l'ordre d'un an, mais on rencontre des stators endommagés après 1-3 mois de fonctionnement.

La présente invention propose l'architecture d'une pompe comportant un stator hélicoïdal, permettant de dissocier les deux fonctions :

- le contact rotor - couche élastique assure une relative étanchéité entre les cavités

- l'augmentation du volume de la couche élastique et les forces résultantes, sont reprises par les compensateurs; les

forces sont maîtrisées dans la limite requise et sont ensuite transmises au carter.

La présente invention permet de réduire les forces dynamiques (vibrations, chocs) exercées par le rotor sur la couche élastique (élastomère) ou sur le cylindre hélicoïdal rigide (métallique, matériaux composites). Ainsi, la PCP de la présente invention comporte des compensateurs capables d'assurer le découplage des vibrations du rotor par rapport aux éléments élastiques (élastomère) ou rigides (métallique, matériaux composites) du stator, permettant d'améliorer la fiabilité dynamique et les performances des PCP.

Exemple.

La PCP 1 traditionnelle. Pour produire un puits pétrolier on utilise une PCP traditionnelle ; compte tenu des conditions de pompage dans le puits, F interférence initiale rotor - stator est de hl = 0.5 mm.

L'évolution des conditions de fonctionnement conduit à l'augmentation de l'interférence ; on constate couramment un gonflement du stator de 5 % de son épaisseur , et l'interférence augmente hl = 1 mm.

En conséquence, la nouvelle interférence et les forces exercées sur le stator élastique sont deux fois plus grandes. Compte tenu du comportement du stator, dont Γ élastomère est soumis aux forces cycliques (courbe de Wohler), la durée de fonctionnement du stator est divisée par 2.

La PCP 6 selon la présente invention, pendant la production du puits, les compensateurs compensent le gonflement du stator et l'interférence initiale hl = 0.5 mm est maintenue sans changement significatif ; les forces restent dans la limite acceptable.

Ainsi, la PCP 6 comportant un stator hélicoïdal selon la présente invention, a une durée de fonctionnement 2 fois supérieure à celle de la PCP 1 traditionnelle ; c'est un avantage technique et économique significatif. Références.

1. Le brevet EP0220318 Al décrit un moteur à cavités progressives pour le forage pétrolier. La boue de forage constitue le liquide moteur. Pour ce faire, après le moteur on installe l'outil de forage qui transmet au moteur des fortes vibrations longitudinales capables d'endommager le stator en élastomère. Ces fortes vibrations longitudinales sont dues aux efforts de pénétration de l'outil de forage dans la roche.

Afin de réduire l'effet des vibrations longitudinales, ce brevet prévoit un système "absorbeur d'énergie " (Energieabsorber 10, figure 1 du brevet). Semblable à un palier hydraulique, l'"absorbeur d'énergie" dissipe l'énergie des vibrations longitudinales à travers un labyrinthe hydraulique. En effet, le frottement visqueux du liquide d'écoulement dans le labyrinthe hydraulique amortie les vibrations longitudinales en dissipant l'énergie ; c'est un absorbeur qui dissipe l'énergie par frottement hydraulique (figures 3,4,5 du brevet).

La composition chimique de la boue de forage ne produit pas le gonflement de l'élastomère du stator. Par conséquent, le problème du gonflement du stator de la PCP de pompage pétrolier ne se pose pas dans le cas du moteur de forage.

Aussi, le liquide de l'absorbeur d'énergie (labyrinthe hydraulique) est incompressible ; ce dispositif ne peut pas compenser le gonflement transversal du stator élastique ou les vibrations transversales.

La PCP objet de la présente invention, comprend des compensateurs (figures 1A et 1 B ) capables de compenser, par leur élasticité, les déformations transversales du stator. En effet, les gonflements du stator sont dus aux conditions du fonctionnement de la pompe dans le puits pétrolier en production : liquides et gaz agressifs, hautes températures et pressions.

Ainsi, on constate que les conditions de fonctionnement du moteur de forage n'ont rien de commun avec le pompage pétrolier.

Les compensateurs sont des éléments élastiques, en métal ou matériaux composites, se déformant pour compenser les variations de volume du stator (gonflements de la couche élastique) et les vibrations transversales du rotor.

Par conséquent, ils n'ont rien d'un labyrinthe hydraulique (absorbeur hydraulique d'énergie) dont le rôle est de dissiper l'énergie des vibrations longitudinales du forage dans la roche.

L'architecture et le fonctionnement de la PCP comportant un stator hélicoïdal avec des compensateurs, sont très différents du moteur de forage comportant un système d'absorbeur d'énergie hydraulique, présenté par ce brevet.

2. Le brevet US 2006 / 0153724 Al décrit un moteur de forage à cavités progressives comportant un stator constitué de deux couches d'élastomère, dont les propriétés mécaniques sont différentes.

Comme mentionné précédemment, pendant le pompage dans un puits pétrolier l'effet thermodynamique - chimique - dynamique engendre des déformations de l'élastomère du stator (gonflements). Le forage pétrolier est tout à fait différent ; le liquide du moteur de forage est constitué de la boue de forage sous pression injectée de la surface.

Les conditions de fonctionnement du pompage dans un puits pétrolier et le forage sont très différentes.

Le brevet décrit un stator comportant deux couches en élastomère. Dans ces conditions, l'effet thermodynamique - chimique - dynamique du pompage pétrolier engendre des déformations différentielles du stator en élastomère.

Le risque de dommages engendrés par le rotor sur le stator à deux couches d'élastomère, reste entier.

Par conséquent, l'utilisation du stator à deux couches d'élastomère dans le pompage pétrolier présente une fiabilité et une durée de fonctionnement réduites.

L'architecture et le fonctionnement de la PCP comportant un stator hélicoïdal avec des compensateurs, sont très différents du moteur de forage comportant un stator en élastomère à deux couches, présenté par ce brevet.

La figure 8 est un graphe représentant en abscisse le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8, et en ordonnée, Γ amplitude des vibrations X¾ selon une direction perpendiculaire à l'axe central Y-Y du stator hélicoïdal 8. Lorsque le rotor hélicoïdal 7 est entraîné en rotation, il provoque la vibration du cylindre hélicoïdal 10 dans un plan passant par l'axe central Y-Y, le mouvement étant la combinaison d'une trajectoire rectiligne avec une rotation..

Lorsque la fréquence de vibration W ₃ de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 est égale à la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7, l'ensemble stator hélicoïdal 8 et rotor hélicoïdal 7 vibrent en résonnance. Ce qui conduit à une détérioration rapide de la pompe.

Le graphe de la figure 8 obtenu analytiquement à partir d'une pompe selon l'invention, permet de constater que lorsque le rapport entre la fréquence de rotation W du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 est supérieure à 3, la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7 est découplée de celle du cylindre hélicoïdal 10.

Ainsi, afin que le stator hélicoïdal 8 ne vibre plus en résonnance avec la rotation du rotor hélicoïdal 7, il est souhaitable que le rapport entre la fréquence de rotation VV du rotor hélicoïdal 7 et la fréquence de vibration W ₃ de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 soit supérieur à 3.

Par ailleurs, il est connu que la raideur Ko d'un compensateur est égale à la somme M de la masse totale de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8, multipliée par le carré de la fréquence de vibration W3 de l'ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8.

En combinant les relations (14) et ( 15), on obtient la relation suivante :

Dans laquelle :

- W est la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7,

- M est la masse totale du rotor hélicoïdal 7 et du stator hélicoïdal 8.

Ainsi, le choix de la raideur Ko des compensateurs 11 permet de découpler les fréquences propres de Γ ensemble rotor hélicoïdal 7 et stator hélicoïdal 8 de la fréquence de rotation du rotor hélicoïdal 7.

Le cylindre hélicoïdal 10 est rigide dans l'ensemble des modes de réalisation décrits. Avantageusement, il est possible de disposer des compensateurs tout le long de la pompe selon une distribution; déterminée en fonction de la déformée du rotor hélicoïdal 7 au long de la pompe (modes propres de vibration).

Lesdits compensateurs défotmables sont des structures élastiques fabriquées en matériaux métalliques ou matériaux composites, dont les propriétés mécaniques (élasticité, hystérésis) et la grande résistance aux forces cycliques de fatigue (courbe de Wohler) assurent une bonne fiabilité de la pompe.

La distribution desdits compensateurs déformables au long de la pompe peut être : continue ou discontinue, uniforme ou non-uniforme, de densité constante ou variable, de raideur constante ou variable. En effet, pendant les vibrations, l'ensemble rotor hélicoïdal-stator hélicoïdal se déforme au long de la pompe ; par exemple, la flèche est plus grande vers les extrémités. Pour compenser les déformations des extrémités, on adapte la distribution des compensateurs; par exemple, une plus grande densité vers les extrémités de la pompe.

Dans ces conditions, le mouvement d'ensemble rotor hélicoïdal-stator hélicoïdal est solidaire, ce qui élimine le risque de chocs, les déphasages et les instabilités entre le rotor hélicoïdal et le stator hélicoïdal. La figure 8 montre le comportement vibratoire de la PCP avec compensateurs 11 ; les vibrations X ₃ de l'ensemble rotor-stator ont la fréquence W ₃ et la rotation du rotor s'effectue à la fréquence W.

Par conséquent, il suffit de dimensionner la raideur Ko des compensateurs 11 pour réduire significativement les vibrations de la pompe PCP (figure 8).

Les compensateurs déformables 1 1 assurent plusieurs fonctions :

- compensent les mouvements (vibrations) de l'ensemble rotor-stator ;

- compensent les déformations de l'ensemble rotor-stator au long de la pompe ;

- contrôlent les vibrations de la pompe PCP et assurent ainsi l'amélioration de la fiabilité et l'augmentation des performances hydrauliques.

Comme le montre la figure 8, la raideur Ko est le critère de dimensionnement des compensateurs déformables 1 1 . La raideur Ko détermine les dimensions, la forme (la géométrie) et les matériaux (élasticité et résistance aux forces cycliques).

En effet, avec la raideur Ko, les compensateurs 11 assurent une forte réduction des forces vibratoires sur l'ensemble rotor-stator et améliore significativement la fiabilité de la pompe.

Les matériaux des compensateurs sont le métal (acier, aluminium) et les matériaux composites. Les compensateurs sont des structures élastiques, qui se déforment pour compenser les mouvements (vibrations) de l'ensemble rotor-stator. Les propriétés mécaniques des matériaux requises sont : élasticité (linéaire et hystérésis) et la capacité de résister à un grand nombre d'efforts cycliques de fatigue (courbe de Wôhler).

Les matériaux métalliques (acier, aluminium) ont ces propriétés. Dans les matériaux composites, il y a une grande variété de structures de grande résistance et avec un bon comportement aux sollicitations cycliques (courbe de Wôhler).