Chapitre IIILa pompe boue Oil-Well 12P160

Destination et exigences gnrales:Les pompes de forage sont les consommateurs principaux de la puissance consomme par linstallation de forage. A lheure actuelle, le forage dun puits profond seffectue une pression de 25 30 MN/m2 dveloppe la sortie des pompes de forage et au dbit des pompes au dbut du forage de 50 80 l/mn. Pour le forage ralis dans des constructions pareilles on utilise les pompes dont la puissance est gale 500-800 kW. Il y des pompes dont les puissances atteignent 1000 1500 KW, elles peuvent crer une pression de 35 MN/m2.

Le poids de toute linstallation de forage est dtermin un fort degr par le poids du groupe de pompage. Le rendement et les qualits conomiques dune installation de forage dpendent considrablement de la construction de son groupe de pompage.

Les pompes de forage fonctionnent dans des conditions dfavorables. La boue de forage contient des particules de terrain qui ont une duret proche de celle des pices en acier trempe de la pompe. Ces particules provoquent une usure par abrasion des pices frottantes. Cette usure intense de grandes vitesses de passage de la boue, qui se cre dans les dispositifs dtanchit.

La boue de forage contient de diffrents ractifs (chaux, soude caustique, acide) et le ptrole, qui attaquent fortement les pices, surtout les pices en caoutchouc. Laction augmente grce une temprature leve.

Jusqu prsent, les pompes piston rpondent le mieux toutes les exigences exposes au par avant. Les pompes palettes, centrifuge et axiale sont faciles en poids et assurent une amene rgulire de liquide de forage, mais leurs caractristiques, rsistance lusure, etc. sont infrieur ceux des pompes piston.

Description de la pompe triplex simple effet national Oil- Well 12P160 :Cest une pompe volumtrique alternative piston a mcanisme bielle-manivelle, de type triplex simple effet, pour ce type les manivelles sont dcales 120, et le nombre de clapet est de 6 (3 laspiration et 3 au le refoulement). Elle se compose de deux parties principales montes sur un chssis ski qui sont la partie mcanique et la partie hydraulique.

I.1.1. Construction de la pompe boue triplex simple effet:

Comme toutes les pompes piston triplex simple effet, la pompe OIL-WELL 12P160 est construite de:

La partie mcanique qui sert transformer le mouvement de rotation au mouvement de translation alternatif communiqu au piston; La partie hydraulique est lensemble de tous les lments qui permettent la circulation du fluide de forage.

A. La partie mcanique:

Le ct mcanique dune pompe boue reprsente la partie la plus importante de la valeur dachat, il doit tre robuste et permettre une longue priode de service sans entretiens importants en dehors de la lubrification.

La partie mcanique de la pompe se compose des sous ensembles suivants:

Larbre grande vitesse; Larbre petite vitesse ou vilebrequin;

Du systme bielle- manivelle;

La crosse et la rallonge de crosse; Le bti/carter de lubrification; Le systme dentranement (chane + pignon + roue dente); Roulements; Pompe huile.

a. Larbre grande vitesse: Cest larbre dentranement de la pompe, celui sur lequel sont accoupls les moteurs dentranement, entranement qui peut tre ralis par moteurs lectriques et transmissions ou par poulies entranes par courroies depuis le compound.

Cet arbre est support par deux paliers roulement; il entrane par lintermdiaire du pignon denture oblique (chevron) le pignon de larbre vilebrequin petite vitesse. b. Larbre petite vitesse ou vilebrequin :

Cet arbre une forme coude (excentrique) pour permettre le dcalage des courses du piston dans les chemises (ce dcalage est de 120 pour les triplex).Il existe un rapport entre les petites vitesses et les grandes vitesses. Ce rapport (3 et 5) dpends du type de pompe et de sa marque et il est donn par le constructeur .Un rapport de 3.44 par exemple pour une pompe National 12P160 signifie que pour 96 coups/mn au piston larbre grande vitesse et le pignon dentranement tournent 96x3.44=330 tours/minute.

c. Systme bielle- manivelle:Sur le vilebrequin sont montes 02 ou 03 bielles selon le type de pompe (duplex ou triplex). Les ttes des bielles sont montes sur le vilebrequin, les pieds des bielles sur les crosses. Larticulation de ces dernires sur les crosses se fait par lintermdiaire de roulements.d. La crosse et la rallonge de crosse:Les crosses montes sur les pieds des bielles par lintermdiaire de roulements sont guides par des tuiles. Sur les crosses viennent se visser les rallonges des crosses qui permettront la liaison avec les tiges de pistons.

Cette liaison est ralise par lintermdiaire de clamps (colliers de serrage) pour les pompes triplex.e. Le bti et le carter:

Il est en acier moul ou en tle dacier assembl par mcano- soudure. Dans ce dernier cas le ski et le bti son gnralement intgrs. Le bti sert de carter pour lhuile de graissage, il doit donc tre tanche et permettre un contrle rapide du niveau et une vidange facile de lhuile.

La lubrification est en gnral ralise par barbotage. Deux augets de rserve dhuile permettent pendant la mise en service dune pompe, le graissage immdiat des pignons et de tuiles.

Ltanchit, ct rallonge de crosse, est assure par un botier de presse-toupe et son joint.

Un couvercle suprieur et des portes de visite latrales permettent deffectuer rapidement et facilement linspection ou les rglages ncessaires, afin de prvenir des troubles futurs.f. Les Roulements :

1. Les roulements des bielles :

Sont des roulements rouleaux cylindriques jointifs, ils supportent des charges radiales et axiales leves et importantes.

Fiabilit des fonctions accrue. Dure de service prolonge.2. Les roulements des crosses :

Sont des roulements aiguilles, qui ont les avantages suivants :

Roulements de trs faible section dote dune capacit de charge relativement leve;

Utilisation sans bagues intrieures;

Assurent un montage optimal lorsquon peut tremper et rectifier les arbres;

Ils sont peu encombrants radialement;

Ils supportent uniquement de la charge radiale;3. Les roulements de larbre grand vitesse :

Roulement rotule sur rouleaux (voir figure n III.3), ils ont les avantages suivants :

Fonctionnement faible temprature et vitesse relativement leve;

Supporter des charges relativement importantes;

Grande longvit;4. Les roulements de larbre petite vitesse (vilebrequin) :

Roulement rouleaux coniques, ils ont les avantages suivants :

Frottement largement rduit;

Capacit de charge accrue.g. Le systme dentranement :

Il en existe deux types :

Soit par moteurs lectriques,

Soit par poulies et courroies (ou chanes).

5. Entranement par moteurs lectriques :

Deux moteurs sont monts sur le ski de la pompe et entranent par lintermdiaire de pignons et de chanes, larbre grand vitesse de la pompe.

Les pignons et leurs chanes sont enferms dans des carters tanches, un systme de lubrification par pompe entrane par moteur lectrique assure le graissage par arrosage de lensemble.

6. Entranement par poulies et courroies :

Sur larbre grande vitesse, une poulie gorge pour courroie trapzodale est clavete, elle est entrane par une poulie de mme type, plus petite pour respecter un rapport de vitesse donn, situe sur la compound. Cest le systme dentranement utilis sur les appareils mcaniques ou sur les units de pompage indpendantes.B. La partie hydraulique de la pompe 12P160 :

h. Le corps hydraulique :

Il est en acier moul, fix sur le ski et au carter de la partie mcanique de la pompe, il sert de logement, pour les pices dusure, la chemise, clapets et les tiges des pistons.

Le corps est obtur par des couvercles filets et des portes des couvercles boulonns la partie suprieure o lon trouve un collecteur de refoulement qui li entre les sorties de refoulement, et ces couvercles qui maintiennent ou protgent les clapets, ils sont visss ce qui augmente la rapidit de dmontage et remontage.

i. Le piston et la tige de piston:Dans les pompes triplex; le piston est mont avec une seule garniture (cycle simple effet), une coupelle et un circlips en assure la fixation sur le corps.

Trs simple et sans traitement, le corps du piston a un alsage cylindrique qui permet un montage et surtout un dmontage ais. (Un simple joint torique assure ltanchit).

La tige de piston classique est limine pour tre remplace par une tige courte et lgre dont les caractristiques principales sont:

Labsence de finition extrieure puisquil ny a plus de presse-toupe, Labsence de filetage dextrmit ct rallonge de crosse remplac par un talon et un clamp de montage et dmontage ais,

Le poids et les dimensions faibles, Une dure de vie trs longue (absence de presse-toupe),

Un remplacement trs ais de lensemble piston et tige de piston.

j. Les chemises :

Les chemises des pompes sont des pices usines avec grande prcision.

La paroi intrieure est traite pour lui donner une grande duret superficielle et la rsistance lusure dsire.

Ces chemises sont enfiles dans le corps de la pompe et maintenues en place par des dispositifs qui diffrent lgrement suivant les constructeurs

k. Les siges et les clapets :

Chaque clapet est constitu dun corps, dune garniture, et dun systme de fixation de la garniture.

Leur principe avantage est dtre le diamtre plus faible donc:

Plus rsistant pour des pressions identiques. Moins lourds donc moins sujets au choc. Plus aiss extraire. Moins coteux lachat.

I.1.2. Refroidissement de la pompe boue 12P160: La partie hydraulique (les couples chemise-piston) ncessite un refroidissement intense suite au frottement et la chaleur dissipe, pour cela la pompe boue est muni dune pompe centrifuge eau, cette pompe aspire leau partir des bacs deau et la refoule sous forme des jets contenus de la partie hydraulique.Lentrainement de la pompe centrifuge se fait laide dun moteur lectrique dentrainement asynchrone.Annexes de la pompe boue:Les pompes de forage comportent les quipements auxiliaires suivants:

A laspiration, un amortisseur de pulsation et un autre amortisseur de pulsation au refoulement, Une soupape de scurit pour protger le circuit contre les fluctuations et les augmentations brusques de pression.

I.1.3. Les amortisseurs de pulsations:

C. Sur laspiration:

Louverture par squence des clapets daspiration cre une variation trs rapide de la pression de boue dans la conduite daspiration des pompes triplex. Pour attnuer ce phnomne, on y installe un amortisseur de pulsation. Il est constitu dune membrane au-dessus du lequel est ferm de lair sous environ 40 psi. Cette membrane est en contact avec la boue par sa surface infrieure.

Le contrle de la pression dair au-dessus de la membrane se fait trs facilement; Lorsque lensemble fonctionne; le dessus de la membrane doit apparatre dans laxe du regard de contrle.D. Sur le refoulement:

Le dbit instantan dune pompe est trs irrgulier, ceci est dPour les pompes triplex, suralimentes, au "battement" trs rapide (110 130 coups/min).Ces variations de dbit amnent des variations de pression importantes qui se traduisent par des vibrations et des chocs nfastes: Sur la pompe elle-mme; Sur le manifold de refoulement; Sur la colonne montante et sur le flexible dinjection.

Pour y remdier, les pompes de forage sont toutes quipes damortisseur de pulsations sur le refoulement. Amortisseur de pulsations type "HYDRIL":

Ce le type le plus courant. Il est constitu:

Dun corps en acier moul de forme sphrique goujonn ; Dun couvercle boulonn la partie suprieur, perc de 02 trous tarauds (manomtre et robinet pour le remplissage); Dune bride la partie infrieure sadaptant sur la pompe; A lintrieur se trouve une membrane de caoutchouc de forme demi sphrique, dont le bourrelet de louverture sert de joint au couvercle; Dans le fond du diaphragme est fixe un disque stabilisateur en caoutchouc. Principe de fonctionnement :

Lorsque la pompe est en marche, la boue pntre dans la chambre, sous le diaphragme et comprime le volume de chambre dazote diminue lorsque la pression de boue diminue, rgularisant ainsi le dbit et, par suite, les fluctuations de pression.I.1.4. Soupape de dcharge ou de scurit:

Afin dviter les surcharges de pression de la pompe, la pompe doit tre quipe dune soupape de dcharge, tare selon le chemisage de la pompe.

Il existe plusieurs types de ces soupapes, parmi lesquels on distingue:

Les soupapes de dcharge ressort; Les soupapes de dcharge clou;

Les soupapes de dcharge diaphragme ou membrane.

E. Soupapes de dcharge ressort:

Elle fonctionne lorsquon atteint la pression critique, le clapet se soulve et comprime le ressort ce qui facilite le passage du liquide vers les bacs. Le rglage du ressort se fait par serrage dun crou selon la pression critique de la chemise utilise.F. Soupapes de dcharge clou:

Elle comprend un piston avec une tige fixe sur le corps par un clou qui passe dans la tige de piston.

A la pression critique, le piston se soulve et cisaille le clou et laisse le passage pour le liquide qui revient au bac. Le diamtre du clou est choisi en fonction de la pression critique de la chemise utilise.G. Les soupapes de dcharge diaphragme:

Les soupapes diaphragme fonctionnement la pression limite; lorsque la pression dpasse sa limite, le diaphragme se dchire et ouvre l'orifice de vidange.Principe de fonctionnementet dbit instantan:I.1.5. Principe de fonctionnement:

Le fonctionnement de chaque cylindre pour un aller retour du piston est le suivant: Lorsque le piston se dplace vers la droite, le clapet daspiration est ouvert, l e clapet de refoulement est ferm, le cylindre se remplit.

Lorsque le piston arrive en bout de course et revient vers la gauche, le clapet daspiration se ferme, le clapet de refoulement souvre, la pompe refoule. Ce fonctionnement de principe beaucoup plus simple que celui des pompes duplex, donne un avantage certain aux pompes triplex (diminution dencombrement, facilit dentretien et de surveillance).

I.1.6. Dbit instantan:H. Dbit instantan par cylindre:

La vitesse instantane du piston suit une volution qui a t tudie pour les pompes triplex. Les pompes triplex sont des pompes a simple effet, donc le dbit instantan par cylindre volue comme la vitesse sur le trajet aller du piston, il est nul au retour.I. Dbit instantan de la pompe:

Le dbit instantan dune pompe triplex est la somme des dbits instantans de chacun des cylindres, il dpend du mode de calage du piston les uns par rapport aux autres.Sur les pompes triplex, les pistons sont cals 120, cest -dire 2/3 de course spare chaque piston lun de lautre (lorsque le piston n1 arrive en fin de course, le piston n2 est au 1/3 de sa course et le piston n3 n pas encore termin sa course retour, il on est en 2/3). Le principe simple effet et le calage rgulier des pistons (3 fois 120) entranent des fluctuations de dbit relativement rgulier. Laptitude de ces variations est par ailleurs faible. Elle impose malgr tout lutilisation damortisseur de pulsation sur le refoulement. Particularits :Pour viter les inconvnients on utilise de plus en plus lheure actuelle, la suralimentation des pompes boue; Les pompes ne sont pas alimentes par aspiration directe dans les bacs, mais par lintermdiaire dune autre pompe (centrifuge basse pression). Dans ces conditions on obtient un remplissage presque parfait des cylindres et on supprime les cognements hydrauliques, le rendement se rapproche du rendement thorique, le dbit obtenu est plus grand.

I.1.7. Les pompes de suralimentation:

Actuellement, toutes les pompes triplex sont systmatiquement quipes de pompes centrifuges de suralimentation.

La suralimentation des pompes boue est obligatoire afin dassurer un fonctionnement mcanique plus doux et parfait des pompes boue, comme elle permet galement dobtenir la pleine utilisation des puissances hydrauliques.

Une pompe centrifuge comprend deux parties:

Une partie mobile ou rotor, Une partie fixe ou corps de pompe.

La partie mobile comporte un arbre accoupl au moteur. Sur cet arbre est clavete une roue portant des aubes ou ailettes. Ce sont ces aubes qui, par lintermdiaire de larbre transmettent au liquide le mouvement de rotation du moteur.

Larbre se repose sur le corps de pompe par lintermdiaire des paliers, dont le rle est de diminuer les pertes mcaniques dues au frottement de larbre sur le corps de pompe.

Les presse-toupe assurent ltanchit entre larbre et le corps de la pompe.

La partie fixe au corps de pompe comprend les orifices daspiration et de refoulement, et un rcuprateur ou un amortisseur qui a pour but de transformer en pression une partie de la vitesse communique au liquide par le rotor.I.1.8. Principe de montage:

En pratique les pompes de suralimentation sont montes de faon aspirer directement dans le bassin (parfois par lintermdiaire de la conduite daspiration de la pompe) et refouler dans cette mme conduite.

Elles sont choisies pour que leur dbit, la pression de refoulement et la puissance fournie soient suffisants pour rpondre aux besoins de la pompe de forage dbit maximal (chemisage maximale, 120 coups/min). Ces caractristiques (dbit, pression, puissance fournie) dpendent du diamtre da la roue mobile, de sa vitesse et de puissance du moteur dentranement.

Caractristiques des pompes boue:Le rle des pompes boue est dassurer un dbit et une pression de refoulement suffisants pour permettre une remonte correcte des dblais dans lespace annulaire dune part, et pour vaincre lensemble des pertes de charge (perte de pression ) occasionnes par la circulation dans le circuit de refoulement en surface et dans le puits, dautre part.I.1.9. La cylindre:

La cylindre dune pompe reprsente la quantit thorique de liquide quelle peut dbiter pendant un cycle de fonctionnement.Pour une pompe triplex, elle est le produit de la course par la section du piston comme dans les moteurs combustions.Le cylindre dun piston est gale : O: C: la course du piston. d: diamtre intrieur de la chemise.I.1.10. La vitesse:

La vitesse nominale, cest--dire la vitesse maximale de travail pour laquelle la pompe est conue, dpend de la masse spcifique du fluide utilis, de sa viscosit et de la pression maximale cre par la pompe.En effet, il est recommand pour viter le dcollement de la veine liquide dans les aspirations, de ne pas dpasser des vitesses linaires de piston de 45.5 m/mn.I.1.11. Le dbit:

Les dbits requis en forage varient en fonction de diamtre for. Il est pendant les premiers phases (26, 171/2), plus petit en fin de forage (81/2, 6).Le dbit dune pompe dpend du diamtre intrieur de la chemise (alsage), de la vitesse de la pompe exprime nombre de coups de piston par minute et de la course du piston. Le dbit thorique:

Le dbit est la quantit de liquide quune pompe peut fournir par unit de temps, une vitesse dentrainement donne, il sexprime en (l/mn).Le dbit thorique dune pompe dpend de sa cylindre dune part, de sa vitesse et du nombre de cylindres dautre part.

O:Qth: Dbit thorique de la pompe (l/mn).C: Course de piston (mm).D: Diamtre de la chemise (mm).

I.1.12. Rendements:

Par suite de remplissages parfois incomplets des cylindres, des fuites se produisant aux pistons, aux clapets, aux presse-toupes, le dbit rel ou dbit pratique dune pompe boue est toujours infrieur au dbit calcul ou dbit thorique.J. Rendement volumtrique:

On appelle rendement volumtrique le rapport entre le dbit rel et le dbit thorique dune pompe.O:

Qp: dbit rel.

Qth: dbit thoriqueLe rendement volumtrique et de 95 97 % pour les pompes triplex (avec suralimentation). Il peut tre mesur en faisant refouler la pompe sur un bac est en mesurant llvation du niveau pendant un temps dtermin. Le dbit rel ainsi obtenu permet en le divisant par le dbit thorique calcul de dterminer le rendement volumtrique de la pompe.K. Rendement mcanique:

Le rendement mcanique est d la perte de puissance due aux frottements dans la partie mcanique de la pompe (engrenages, roulements, glissements des crosses dans les coulisseaux).Se rendement est de lordre de 0.85 dans les pompes triplex simple effet.I.1.13. Pression:

Les pompes boue sont des pompes haute pression, les pressions de refoulement requises pouvant parfois atteindre des valeurs trs leves de lordre de 250 kgf/cm2.La valeur de cette pression qui reprsente en effet lensemble des pertes de charge (perte de pression) dans le circuit de refoulement en surface mais aussi dans les puits dpend donc essentiellement pour un dbit donn de la profondeur du puits et de la nature des oprations entreprise.La pression de refoulement agissant sur le piston se traduit par une force qui se communique la tige de piston, la rallonge de crosse et ensuite la partie mcanique.I.1.14. La puissance:

L. Puissance hydraulique:La puissance hydraulique dune pompe cest--dire la puissance transmise au fluide la sortie de la pompe dpend du dbit rel et la pression de refoulement. Elle est donne par la formule: O: Ph: la puissance hydraulique. Pr: la pression de refoulement. Qr: le dbit rel.M. Puissance mcanique:

La puissance mcanique indique par le constructeur est la puissance mcanique maximale admissible sur larbre dentre dans la pompe.Les avantages et les inconvnients de la pompetriplex simple effet:I.1.15. Les avantages:

Facilit dentretien et de surveillance. Les chemises sont apparentes, toute fuite aux pistons est vite dcele. Les interventions sur la pompe sont faciles et rapides du fait du faible poids des pices dusure, de labsence du presse-toupe, du joint de chemise plus simple. Souplesse dans lutilisation qui permet:

des dbits importants des pressions non ngligeables. des dbits faibles ou moyens des pressions leves.

Faible poids et encombrement.

I.1.16. Les inconvnients:

Suralimentation ncessaire a cause de par le mauvais remplissage. Il est donc indispensable davoir une bonne pompe centrifuge de suralimentation. Refroidissement et lubrification de la chemise et de larrire des pistons, indispensable pour toutes les pompes simples effet.Du fait de limportance de ce refroidissement, il est recommand de doubler le circuit, cest--dire de le brancher sur le circuit deau gnrale de lappareil, pour le cas de dfaillance de la pompe eau.

Clapet de refoulement

Chemise

Piston

Ressort

Clapet

daspiration

Fig. III. 2 : Partie mcanique

Fig. III.6: Roulement de Bielle

Presse toupe

Fig. III.4: Larbre petite vitesse

Fig. III.3: Larbre grande vitesse

Porte de contrle

Arbre petit vitesse

Bielle

Glissire + crosse

Arbre grand vitesse

Roulements

Figure-III.14: Principe de fonctionnement des pompes triplex

Refoulement

Piston

2

Piston

Aspiration

Fig. III.10: Siges et clapets

1

Triplex simple effet

Fig. III.8: Le piston et la tige de piston

Fig. III.7: partie hydraulique

Systme de refroidissement

Tige de piston

Figure-III.13: Lamortisseur de pulsations

Garniture

Stabilisateur

Couvercle

Mesure, pression

Corps

Diaphragme

Soupape de remplissage

Garde

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

Figure.III.9: La chemise

Coupelle

Circlips

Ensemble tige-piston

Corps de piston

Fig. III.12: Amortisseur de pulsation Sur le refoulement

Fig. III.11: Amortisseur de pulsation Sur laspiration

Fig. III. 1 : Pompe boue en coupe

Triplex simple effet

Figure-III.15: Dbit instantan de la pompe triplex simple effet

Amortisseur de pulsation Sur le refoulement

O ring

Tige de piston

Garniture de piston

Q(l/mn)

Fig. III.5: Systme bielle- manivelle

Fig. III. 16: Les pompes de suralimentation

Pompe centrifuge

Pompe centrifuge

fHCIMC02

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