Chapitre III
La pompe à boue Oil-Well 12P160
principales montées sur un chssis s'i -ui sont la partie mécani-ue et la partie h*drauli-ue. h*drauli-ue. III.2.1. Construction de de la pompe à boue triplex à simple effet effet : /omme toutes les pompes à piston triplex à simple effet, la pompe 7)L&(6LL +2%+0 est construite de 8 La partie partie mé mécan cani-u i-ue e -ui -ui sert sert à transf transfor ormer mer le mou"e mou"eme ment nt de rotation au mou"ement de translation alternatif communi-ué au piston 9 La partie h*drauli-ue est l’ensem#le de tous les éléments -ui permettent la circulation du fluide de forage.
Fig. III. 1 : Pompe à boue
fHC 4 5
IMC 02
Chapitre III
A.
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La partie mécanique :
Le c:té mécani-ue d’une pompe à #oue représente la partie la plus importante de la "aleur d’achat, il doit ;tre ro#uste et permettre une longue période de ser"ice sans entretiens importants en dehors de la lu#rification. La partie mécani-ue de la pompe se compose des sous ensem#les sui"ants 8 L’ar#re grande "itesse 9
•
L’ar#re petite "itesse ou "ile#re-uin 9
•
•
La crosse et la rallonge de crosse 9
•
Le #ti!carter de lu#rification 9
•
Le s*stme d’entra=nement cha=ne > pignon > roue dentée1 9
•
?oulements 9
•
%ompe à huile.
•
Rouleme nts
Arbre grand vitesse Presse étoupe
Arbre petit vitesse
fHC
Porte de contrôle
Biell e
Glissière + crosse
Fig. III. 2 : Partie mécanique 4 5
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a.L’arbre grande vitesse : /’est l’ar#re d’entra=nement de la pompe, celui sur le-uel sont accouplés les moteurs d’entra=nement, entra=nement -ui peut ;tre réalisé par moteurs électri-ues et transmissions ou par poulies entra=nées par courroies depuis le compound. /et ar#re est supporté par deux paliers à roulement 9 il entra=ne par l’intermédiaire du pignon à denture o#li-ue che"ron1 le pignon de l’ar#re "ile#re-uin à petite "itesse.
Fig. III.3 : L!arbre gran"e #ite$$e fHC 4 5
IMC 02
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b.L’arbre petite vitesse ou vilebreuin : /et ar#re à une forme coudée excentri-ue1 pour permettre le décalage des courses du piston dans les chemises ce décalage est de +204 pour les triplex1. )l existe un rapport entre les petites "itesses et les grandes "itesses. /e rapport 3 et 51 dépends du t*pe de pompe et de sa mar-ue et il est donné par le constructeur .@n rapport de 3. par exemple pour une pompe ational +2%+0 signifie -ue pour B coups!mn au piston l’ar#re grande "itesse et le pignon d’entra=nement tournent à Bx3.C330 tours!minute.
Fig. III.% : L!arbre petite #ite$$e fHC 4 5
IMC 02
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c.!"stème bielle# manivelle : Dur le "ile#re-uin sont montées 02 ou 03 #ielles selon le t*pe de pompe duplex ou triplex1. Les t;tes des #ielles sont montées sur le "ile#re-uin, les pieds des #ielles sur les crosses. L’articulation de ces dernires sur les crosses se fait par l’intermédiaire de roulements.
Fig. III.& : '($t)me bie**e+ mani#e**e fHC 4 5
IMC 02
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d.La crosse et la rallonge de crosse : Les crosses montées sur les pieds des #ielles par l’intermédiaire de roulements sont guidées par des tuiles. Dur les crosses "iennent se "isser les rallonges des crosses -ui permettront la liaison a"ec les tiges de pistons. /ette liaison est réalisée par l’intermédiaire de clamps colliers de serrage1 pour les pompes triplex.
e. Le b$ti et le carter : )l est en acier moulé ou en t:le d’acier assem#lé par mécano& soudure.
%.Les Roulements : 1. Les roulements des bielles : Dont des roulements à rouleaux c*lindri-ues Eointifs, ils supportent des charges radiales et axiales éle"ées et importantes.
Fia#ilité des fonctions accrue.
fHC 4 5
IMC 02 Fig. III.,: -ou*ement
"e ie**e
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2. Les roulements des crosses : Dont des roulements à aiguilles, -ui ont les a"antages sui"ants 8
?oulements de trs fai#le section dotée d’une capacité de charge relati"ement éle"ée 9
@tilisation sans #agues intérieures 9
Assurent un montage optimal lors-u’on peut tremper et rectifier les ar#res 9
)ls sont peu encom#rants radialement 9
)ls supportent uni-uement de la charge radiale 9
3. Les roulements de l’arbre grand vitesse : ?oulement à rotule sur rouleaux "oir figure n4 ))).31, ils ont les a"antages sui"ants 8
Fonctionnement à fai#le température et à "itesse relati"ement éle"ée 9
Dupporter des charges relati"ement importantes 9
Grande longé"ité 9
4. Les roulements de l’arbre petite vitesse (vilebrequin) : ?oulement à rouleaux coni-ues, ils ont les a"antages sui"ants 8
Frottement largement réduit 9
/apacité de charge accrue.
g. Le s"stème d’entra&nement : )l en existe deux t*pes 8
Doit par moteurs électri-ues,
Doit par poulies et courroies ou cha=nes1.
fHC 4 5
IMC 02
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1. Entraînement par moteurs lectriques :
2. Entraînement par poulies et courroies : Dur l’ar#re grande "itesse, une poulie à gorge pour courroie trapéHoIdale est cla"etée, elle est entra=née par une poulie de m;me t*pe, plus petite pour respecter un rapport de "itesse donné, situe sur la compound. /’est le s*stme d’entra=nement utilisé sur les appareils mécani-ues ou sur les unités de pompage indépendantes.
.La partie h("rau*ique "e *a pompe 12P1,0 : a.Le corps '"drauliue : )l est en acier moulé, fixé sur le s'i et au carter de la partie mécani-ue de la pompe, il sert de logement, pour les pices d’usure, la chemise, clapets et les tiges des pistons. Le corps est o#turé par des cou"ercles filetés et des portes des cou"ercles #oulonnés à la partie supérieure oJ l’on trou"e un collecteur de refoulement -ui lié entre les sorties de refoulement, et ces cou"ercles -ui maintiennent ou protgent les clapets, ils sont "issés ce -ui augmente la rapidité de démontage et remontage. Pi$t ige "e on pi$ton C*apet "e reou*em C*apet ent "!a$piration -e$$ ort
'($t)me "e fHC
reroi"i$$e Chemi$e ment
4 5
Fig. III./ : partie
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b.Le piston et la tige de piston :
L’a#sence de filetage d’extrémité c:té rallonge de crosse remplacé par un talon et un clamp de montage et démontage aisé, •
•
Le poids et les dimensions fai#les,
•
@ne durée de "ie trs longue a#sence de presse&étoupe1,
@n remplacement trs aisé de l’ensem#le piston et tige de piston.
•
arniture "e pi$ton Circ*ip $
ige "e pi$ton
fHC
567 ring
4n$emb*e tige+ pi$ton 4 5
Fig. III. : Le pi$ton et *a tige
Corp$ "e pi$ton Coupe **e
IMC 02
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c.Les c'emises : Les chemises des pompes sont des pices usinées a"ec grande précision. La paroi intérieure est traitée pour lui donner une grande dureté superficielle et la résistance à l’usure désirée.
Figure.III.8 : La chemi$e
/es chemises sont enfilées dans le corps de la pompe et maintenues en place par des dispositifs -ui différent légrement sui"ant les constructeurs
d.Les sièges et les clapets : /ha-ue clapet est constitué d’un corps, d’une garniture, et d’un s*stme de fixation de la garniture. Leur principe a"antage est d’;tre le diamtre plus fai#le donc 8 •
%lus résistant pour des pressions identi-ues.
•
Moins lourds donc moins suEets au choc.
•
%lus aisés à extraire.
•
Moins coteux à l’achat.
fHC 4 5
Fig. III.10 : 'i)ge$ et
IMC 02
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III.2.2. Refroidissement de la pompe à boue 12P160 : La partie h*drauli-ue les couples chemise&piston1 nécessite un refroidissement intense suite au frottement et à la chaleur dissipée, pour cela la pompe à #oue est muni d’une pompe centrifuge à eau, cette pompe aspire l’eau à partir des #acs d’eau et la refoule sous forme des Eets contenus de la partie h*drauli-ue. L’entrainement de la pompe centrifuge se fait à l’aide d’un moteur électri-ue d’entrainement as*nchrone.
VI.#nnexes de la pompe à $o%e : Les pompes de forage comportent les é-uipements auxiliaires sui"ants 8 A
l’aspiration, un amortisseur de pulsation et un autre amortisseur de pulsation au refoulement,
@ne
soupape de sécurité pour protéger le circuit contre les fluctuations et les augmentations #rus-ues de pression.
III.3.1. Les amortisseurs de pulsations :
A. 'ur *!a$piration : L’ou"erture par sé-uence des clapets d’aspiration crée une "ariation trs rapide de la pression de #oue dans la conduite d’aspiration des pompes triplex. %our atténuer ce phénomne, on * installe un amortisseur de pulsation. )l est constitué d’une mem#rane au& fHC 4 5
IMC Fig. III.11 : 02 Amorti$$eur "e pu*$ation 'ur
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dessus du le-uel est fermé de l’air sous en"iron 0 psi. /ette mem#rane est en contact a"ec la #oue par sa surface inférieure. Le contr:le de la pression d’air au&dessus de la mem#rane se fait trs facilement 9 Lors-ue l’ensem#le fonctionne 9 le dessus de la mem#rane doit appara=tre dans l’axe du regard de contr:le.
.'ur *e reou*ement : Le dé#it instantané d’une pompe est trs irrégulier, ceci est d %our les pompes triplex, suralimentées, au #attement trs rapide ++0 à +30 coups!min1.
Amorti$$eur "e pu*$ation 'ur *e reou*ement
/es "ariations de dé#it amnent des "ariations de pression importantes -ui se traduisent par des "i#rations et des chocs néfastes 8
Dur la pompe elle&m;me 9
Dur le manifold de refoulement 9
Dur la colonne montante et sur le flexi#le d’inEection.
Fig. III.12 : Amorti$$eur "e pu*$ation 'ur *e reou*ement
%our * remédier, les pompes de forage sont toutes é-uipées d’amortisseur de pulsations sur le refoulement. Amortisseur
de
pulsations
type "HYDRIL" :
/e le t*pe le plus courant. )l est constitué 8 <’un corps en acier moulé de forme sphéri-ue gouEonné 9
Gard !oupape e de remplissag e (iap'rag me
•
fHC 4 5
)orp s Garnit ure
*esure pression )ouverc le !tabilisat eur
IMC 02 Figure+III.13 : L!amorti$$eur "e
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<’un cou"ercle #oulonné à la partie supérieur, percé de 02 trous taraudés manomtre et ro#inet pour le remplissage1 9 •
•
<’une #ride à la partie inférieure s’adaptant sur la pompe 9
A l’intérieur se trou"e une mem#rane de caoutchouc de forme demi sphéri-ue, dont le #ourrelet de l’ou"erture sert de Eoint au cou"ercle 9
•
caoutchouc.
Principe de fonctionnement :
Lors-ue la pompe est en marche, la #oue péntre dans la cham#re, sous le diaphragme et comprime le "olume de cham#re d’aHote diminue lors-ue la pression de #oue diminue, régularisant ainsi le dé#it et, par suite, les fluctuations de pression. III.3.2. oupape de d!c"ar#e ou de s!curit! : Afin d’é"iter les surcharges de pression de la pompe, la pompe doit ;tre é-uipée d’une soupape de décharge, tarée selon le chemisage de la pompe. )l existe plusieurs t*pes de ces soupapes, parmi les-uels on distingue 8
Les soupapes de décharge à ressort 9
Les soupapes de décharge à clou 9
Les soupapes de décharge à diaphragme ou à mem#rane.
A. 'oupape$ "e "écharge à re$$ort : 6lle fonctionne lors-u’on atteint la pression criti-ue, le clapet se soul"e et comprime le ressort ce -ui facilite le passage du li-uide "ers les #acs. Le réglage du ressort se fait par serrage d’un écrou selon la pression criti-ue de la chemise utilisée.
. 'oupape$ "e "écharge à c*ou :
fHC 4 5
IMC 02
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6lle comprend un piston a"ec une tige fixée sur le corps par un clou -ui passe dans la tige de piston. A la pression criti-ue, le piston se soul"e et cisaille le clou et laisse le passage pour le li-uide -ui re"ient au #ac. Le diamtre du clou est choisi en fonction de la pression criti-ue de la chemise utilisée.
C.Le$ $oupape$ "e "écharge à "iaphragme : Les soupapes à diaphragme fonctionnement à la pression limitée 9 lors-ue la pression dépasse sa limite, le diaphragme se déchire et ou"re lNorifice de "idange.
VII.Principe de fonctionnement et dé$it instantané : III.$.1. Principe de fonctionnement : Le fonctionnement de cha-ue c*lindre pour un aller retour du piston est le sui"ant 8 •
•
Lors-ue le piston se déplace "ers la droite, le clapet d’aspiration est ou"ert, l e clapet de refoulement est fermé, le c*lindre se remplit. Lors-ue le piston arri"e en #out de course et re"ient "ers la gauche, le clapet d’aspiration se ferme, le clapet de refoulement s’ou"re, la pompe refoule. /e fonctionnement de principe #eaucoup plus simple -ue celui des pompes duplex, donne un a"antage certain aux pompes triplex diminution d’encom#rement, facilité d’entretien et de sur"eillance1.
fHC 4 5
IMC 02
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-eou*emen t
2
Pi$ton
1
Pi$ton
A$piration
Figure+III.1% : Principe "e onctionnement "e$ pompe$ trip*e9
fHC 4 5
IMC 02
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III.$.2. %!bit instantan! :
A. ébit in$tantané par c(*in"re : La "itesse instantanée du piston suit une é"olution -ui a été étudiée pour les pompes triplex. Les pompes triplex sont des pompes a simple effet, donc le dé#it instantané par c*lindre é"olue comme la "itesse sur le traEet aller du piston, il est nul au retour.
. ébit in$tantané "e *a pompe : Le dé#it instantané d’une pompe triplex est la somme des dé#its instantanés de chacun des c*lindres, il dépend du mode de calage du piston les uns par rapport aux autres. Dur les pompes triplex, les pistons sont calés à +20 4, c’est Oà& dire 2!3 de course sépare cha-ue piston l’un de l’autre lors-ue le piston n4+ arri"e en fin de course, le piston n42 est au +!3 de sa course et le piston n43 n’à pas encore terminé sa course retour, il on est en 2!31.
fHC 4 5
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Le principe simple effet et le calage régulier des pistons 3 fois +2041 entra=nent des fluctuations de dé#it relati"ement régulier. L’aptitude de ces "ariations est par ailleurs fai#le. 6lle impose malgré tout l’utilisation d’amortisseur de pulsation sur le refoulement.
Q;*
rip*e9 à $imp*e e?et
>
Figure+III.1& : ébit in$tantané "e *a pompe trip*e9 à $imp*e e?et VIII.Partic%larités : %our é"iter les incon"énients on utilise de plus en plus à l’heure actuelle, la suralimentation des pompes à #oue 9 Les pompes ne sont pas alimentées par aspiration directe dans les #acs, mais par l’intermédiaire d’une autre pompe centrifuge à #asse pression1.
IMC 02
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@ne pompe centrifuge comprend deux parties 8 •
•
@ne partie mo#ile ou rotor, @ne partie fixe ou corps de pompe.
La partie mo#ile comporte un ar#re accouplé au moteur. Dur cet ar#re est cla"etée une roue portant des au#es ou ailettes. /e sont ces au#es -ui, par l’intermédiaire de l’ar#re transmettent au li-uide le mou"ement de rotation du moteur. L’ar#re se repose sur le corps de pompe par l’intermédiaire des paliers, dont le r:le est de diminuer les pertes mécani-ues dues au frottement de l’ar#re sur le corps de pompe. Les presse&étoupe assurent l’étanchéité entre l’ar#re et le corps de la pompe. La partie fixe au corps de pompe comprend les orifices d’aspiration et de refoulement, et un récupérateur ou un amortisseur -ui a pour #ut de transformer en pression une partie de la "itesse communi-uée au li-uide par le rotor.
III.&.2.
Principe de monta#e :
6n prati-ue les pompes de suralimentation sont montées de faPon à aspirer directement dans le #assin parfois par l’intermédiaire de la conduite d’aspiration de la pompe1 et à refouler dans cette m;me conduite. 6lles sont choisies pour -ue leur dé#it, la pression de refoulement et la puissance fournie soient suffisants pour répondre aux #esoins de la pompe de forage à dé#it maximal chemisage maximale, +20 coups!min1. /es caractéristi-ues dé#it, pression, puissance fournie1 dépendent du diamtre da la roue mo#ile, de sa "itesse et de puissance du moteur d’entra=nement. fHC 4 5
Pompe centriuge
Pompe centriuge
Fig. III. 1, : Le$ pompe$ "e $ura*imentation IMC 02
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I&.'aractéristi(%es des pompes à $o%e : Le r:le des pompes à #oue est d’assurer un dé#it et une pression de refoulement suffisants pour permettre une remontée correcte des dé#lais dans l’espace annulaire d’une part, et pour "aincre l’ensem#le des pertes de charge perte de pression 1 occasionnées par la circulation dans le circuit de refoulement en surface et dans le puits, d’autre part. III.6.1. La c'lindr!e : La c*lindrée d’une pompe représente la -uantité théori-ue de li-uide -u’elle peut dé#iter pendant un c*cle de fonctionnement. %our une pompe triplex, elle est le produit de la course par la section du piston comme dans les moteurs à com#ustions. Le c*lindrée d’un piston est égale à 8 7J 8 V =
π ×
d 2
C 8 la course du piston.
×
d 8 diamtre intérieur de la chemise.
III.6.2. La (itesse : La "itesse nominale, c’est&à&dire la "itesse maximale de tra"ail pour la-uelle la pompe est conPue, dépend de la masse spécifi-ue du fluide utilisé, de sa "iscosité et de la pression maximale crée par la pompe. 6n effet, il est recommandé pour é"iter le décollement de la "eine li-uide dans les aspirations, de ne pas dépasser des "itesses linéaires de piston de 5.5 m!mn. III.6.3. Le d!bit : Les dé#its re-uis en forage "arient en fonction de diamtre foré. )l est pendant les premiers phases 2Q, +RQ+!21, plus petit en fin de forage $Q +!2, Q1.
fHC 4 5
IMC 02
Chapitre III
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Le dé#it d’une pompe dépend du diamtre intérieur de la chemise alésage1, de la "itesse de la pompe exprimée nom#re de coups de piston par minute et de la course du piston. Le d!bit t"!ori)ue : Le dé#it est la -uantité de li-uide -u’une pompe peut fournir par unité de temps, à une "itesse d’entrainement donnée, il s’exprime en l!mn1. Le dé#it théori-ue d’une pompe dépend de sa c*lindrée d’une part, de sa "itesse et du nom#re de c*lindres d’autre part.
Qth
=
3π × D
2
×
C
7J 8 Sth 8 <é#it théori-ue de la pompe l!mn1.
C : Course de piston (mm). D : Diamètre de la chemise (mm).
III.6.$. Rendements : %ar suite de remplissages parfois incomplets des c*lindres, des fuites se produisant aux pistons, aux clapets, aux presse&étoupes, le dé#it réel ou dé#it prati-ue d’une pompe à #oue est touEours inférieur au dé#it calculé ou dé#it théori-ue.
A. -en"ement #o*umétrique : 7n appelle rendement "olumétri-ue le rapport entre le dé#it réel et le dé#it théori-ue d’une pompe. η v
=
Q p
7J 8
Q p 8 dé#it réel.
fHC 4 5
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Chapitre III
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Qth : dé#it théori-ue Le rendement "olumétri-ue et de B5 à BR T pour les pompes triplex a"ec suralimentation1. )l peut ;tre mesuré en faisant refouler la pompe sur un #ac est en mesurant l’élé"ation du ni"eau pendant un temps déterminé. Le dé#it réel ainsi o#tenu permet en le di"isant par le dé#it théori-ue calculé de déterminer le rendement "olumétri-ue de la pompe.
4.-en"ement mécanique : Le rendement mécani-ue est d à la perte de puissance due aux frottements dans la partie mécani-ue de la pompe engrenages, roulements, glissements des crosses dans les coulisseaux1.De rendement est de l’ordre de 0.$5 dans les pompes triplex à simple effet. III.6.&. Pression : Les pompes à #oue sont des pompes à haute pression, les pressions de refoulement re-uises pou"ant parfois atteindre des "aleurs trs éle"ées de l’ordre de 250 'gf!cm 2. La "aleur de cette pression -ui représente en effet l’ensem#le des pertes de charge perte de pression1 dans le circuit de refoulement en surface mais aussi dans les puits dépend donc essentiellement pour un dé#it donné de la profondeur du puits et de la nature des opérations entreprise. La pression de refoulement agissant sur le piston se traduit par une force -ui se communi-ue à la tige de piston, à la rallonge de crosse et ensuite à la partie mécani-ue. III.6.6. La puissance :
A. Pui$$ance h("rau*ique : La puissance h*drauli-ue d’une pompe c’est&à&dire la puissance transmise au fluide à la sortie de la pompe dépend du dé#it réel et la pression de refoulement. 6lle est donnée par la formule 8 7J 8 =
×
P h 8 la puissance h*drauli-ue. P r 8 la pression de refoulement. Qr 8 le dé#it réel.
F. Pui$$ance mécanique : fHC 4 5
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La puissance mécani-ue indi-uée par le constructeur est la puissance mécani-ue maximale admissi#le sur l’ar#re d’entrée dans la pompe.
&.)es a*antages et les incon*énients de la pompe triplex simple effet : III.*.1. Les a(anta#es : Facilité d’entretien et de sur"eillance. Les apparentes, toute fuite aux pistons est "ite décelée. •
chemises
sont
Les inter"entions sur la pompe sont faciles et rapides du fait du fai#le poids des pices d’usure, de l’a#sence du presse&étoupe, du Eoint de chemise plus simple. •
Douplesse dans l’utilisation -ui permet 8
•
des dé#its importants à des pressions non négligea#les. des dé#its fai#les ou mo*ens à des pressions éle"ées. Fai#le poids et encom#rement.
•
III.*.2. Les incon(!nients : Duralimentation nécessaire a cause de par le mau"ais remplissage. )l est donc indispensa#le d’a"oir une #onne pompe centrifuge de suralimentation. •
?efroidissement et lu#rification de la chemise et de l’arrire des pistons, indispensa#le pour toutes les pompes simples effet. •
fHC 4 5
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