Tiges de pompage : comprendre leur rôle clé dans l’exploitation des puits de pétrole

Les tiges de pompage sont des éléments essentiels à l’exploitation des puits de pétrole. Elles sont indispensables aux systèmes de levage artificiel. Si leur taille est modeste par rapport aux équipements d’un champ pétrolier, elles contribuent largement à l’automatisation, à la productivité et à la réussite des opérations. Cet article présente leur configuration et leur composition, ainsi que leur fonctionnement dans le mécanisme qui remonte les fluides jusqu’à la surface. Que vous cherchiez à améliorer vos équipements et vos opérations ou que vous vous intéressiez simplement aux technologies d’exploitation pétrolière, ce guide constitue un excellent point de départ pour comprendre les principes essentiels du fonctionnement des puits de pétrole.

Qu’est-ce qu’une tige de pompage et comment fonctionne-t-elle ?

Une tige de pompage est essentielle au système mécanique d’extraction des fluides, comme le pétrole et l’eau, dans un puits de pétrole. Elle joue également un rôle déterminant dans le mouvement alternatif de la pompe. De forme cylindrique, longue et fine, elle est fabriquée en matériaux composites avancés ou en acier à haute résistance mécanique. Ces tiges sont conçues pour transmettre à la pompe de fond la force produite par l’unité de pompage en surface. Le système convertit le mouvement rotatif du chevalet de pompage en mouvement alternatif, qui actionne le piston de la pompe et remonte ainsi le fluide jusqu’à la surface. La fiabilité des tiges contribue directement au bon fonctionnement du système de levage des fluides ; leur conception et le choix des matériaux sont donc essentiels.

Éléments d’un système de tiges de pompage

Le système de tiges de pompage comprend les principaux éléments suivants :

• Tiges de pompage : tiges en acier ou en fibre de verre qui transmettent le mouvement et relient l’unité de pompage en surface à la pompe de fond.
• Raccords de tiges : ils relient les tiges entre elles et confèrent souplesse et résistance mécanique à l’ensemble de tiges.
• Tige polie : élément supérieur de l’ensemble de tiges, elle traverse le presse-étoupe et transmet la charge à l’unité de pompage.
• Presse-étoupe : il assure l’étanchéité autour de la tige polie et empêche les fluides en tête de puits de s’échapper.
• Pompe de fond : située au fond du puits, elle est actionnée par des tiges en mouvement alternatif alimentées par le moteur de fond et remonte les fluides jusqu’à la tête de puits.

Tous les éléments doivent fonctionner ensemble pour optimiser les performances du système et atteindre les objectifs opérationnels visés.

Rôle des tiges dans les puits de pétrole

Dans les puits de pétrole, la tige mécanisée sert de liaison mécanique pour transmettre le mouvement oscillant de l’unité de pompage en surface à la pompe de fond. Ce mouvement actionne la pompe, qui remonte les fluides des réservoirs profonds jusqu’à la surface. Pour le fonctionnement du puits lui-même, la résistance mécanique et la durabilité de la tige sont déterminantes pour supporter les contraintes dues aux mouvements répétés et au milieu hostile en fond de puits. La continuité et la régularité du fonctionnement du puits en dépendent. Ces caractéristiques nécessitent un entretien et une surveillance réguliers des tiges afin de prévenir l’usure et les défaillances.

Influence de l’ensemble de tiges sur l’efficacité du pompage

L’ensemble de tiges transmet le mouvement et l’énergie de la surface à la pompe de fond, dans le cadre d’un fonctionnement global coordonné. Il influe directement sur l’efficacité du levage des fluides, notamment lors de l’extraction du pétrole par tiges de pompage. Sa conception, sa fabrication et son entretien ont également une incidence sur les pertes d’énergie, l’usure excessive et la régularité des opérations. Le choix des matériaux, un alignement correct de l’ensemble de tiges et des contrôles réguliers permettent d’en optimiser la durée de vie et d’améliorer ainsi l’efficacité globale du pompage.

Comment fabrique-t-on des tiges de pompage de haute qualité ?

Procédé de fabrication des tiges de pompage

Pour obtenir une grande durabilité, la fabrication des tiges de pompage se déroule en plusieurs étapes. D’abord, l’acier ou le matériau composite destiné aux tiges est chauffé et pressé dans des moules, ou mis en forme par d’autres méthodes comme l’extrusion. Les pièces sont ensuite usinées afin d’obtenir la finition et l’état de surface souhaités. Un traitement thermique améliore les propriétés mécaniques du matériau, notamment sa résistance à la traction et sa dureté. Des procédures rigoureuses de contrôle qualité garantissent la conformité des tiges aux normes requises. Chaque élément est inspecté selon les critères définis par le secteur, notamment en matière de dimensions et de contrôles non destructifs. L’ensemble de ces étapes permet de fabriquer des tiges de pompage robustes, capables de fonctionner efficacement dans des conditions de pompage exigeantes.

Matériaux utilisés pour fabriquer les tiges

Les tiges de pompage sont généralement fabriquées en alliages d’acier à haute résistance mécanique, notamment en acier au carbone ou en acier allié. Ces matériaux sont choisis en particulier pour leur durabilité en service, leur résistance à la corrosion et leur capacité à supporter des charges de traction dans des conditions météorologiques extrêmes.

Garantir la qualité : normes et essais

Pourquoi choisir des tiges en fibre de verre pour vos opérations ?

Avantages de la fibre de verre par rapport aux matériaux traditionnels

1. Structure légère : les tiges en fibre de verre réduisent la sollicitation des équipements, car elles sont plus légères que l’acier. Leur faible poids facilite également leur manutention lors de l’installation et de l’entretien.
2. Résistance à la corrosion : la fibre de verre ne se corrode pas comme les matériaux en acier. Elle convient donc aux opérations exposées à une forte humidité ou à des produits chimiques corrosifs, car elle résiste aux environnements difficiles.
3. Résistance élevée à la traction : la légèreté de la fibre de verre ne réduit pas sa résistance à la traction. Les tiges fabriquées dans ce matériau peuvent ainsi supporter des conditions opérationnelles exigeantes sans défaillance.
4. Durée de vie en fatigue accrue : la résistance des tiges en fibre de verre à la fatigue lors d’une utilisation prolongée contribue à maintenir des performances constantes et à prolonger leur durée de service.
5. Isolation thermique et électrique : dans les environnements soumis à des températures extrêmes et à des risques de courants électriques, la fibre de verre assure une isolation thermique et électrique.

Durabilité : résistance à la corrosion et longévité

Les tiges en fibre de verre sont très durables grâce à leur résistance à la corrosion et à leur longue durée de service. Contrairement aux métaux, la fibre de verre ne rouille pas et ne se détériore pas sous l’effet de facteurs environnementaux tels que l’humidité, les produits chimiques ou les rayons UV. Cette résistance réduit les besoins d’entretien et rend la fibre de verre idéale pour les applications industrielles, marines et extérieures. Sa longévité tient également à son intégrité structurelle, qui reste inchangée après une utilisation prolongée et une exposition à des conditions difficiles.

Comprendre les tiges et les raccords : types et applications

Différents types de tiges de pompage

Taper	Caractéristiques principales	Matériau	Applications	Avantages
Tiges standard	Acier massif à haute résistance mécanique	Acier au carbone/acier allié	Production générale de pétrole et de gaz	Fiables et polyvalentes
Tiges creuses	Intérieur creux, structure légère	Acier au carbone/acier allié	Volumes importants de fluides, fluides visqueux	Réduisent la charge et améliorent l’efficacité
Tiges continues	Souples, avec moins de raccords	Acier	Forages déviés ou incurvés	Réduisent les contraintes et la fatigue
Tiges métallisées par projection	Revêtement résistant à la corrosion	Acier avec revêtement métallique	Environnements corrosifs	Grande durabilité et résistance à la corrosion
Tiges en fibre de verre	Matériau composite, structure légère	Fibre de verre	Environnements à haute température et corrosifs	Excellente résistance à la corrosion
Tiges polies	Surface lisse, raccordement à la pompe	Acier	Transmettent le mouvement à la pompe de fond	Réduisent l’usure et le frottement
Tiges à haute résistance mécanique	Résistance à la traction améliorée	Acier allié	Puits profonds, charges lourdes	Résistent à des contraintes élevées
Tiges flexibles	Fibre de carbone ou câble en acier	Matériaux composites	Applications nécessitant une grande souplesse	S’adaptent aux déviations du puits

Choisir les bons raccords pour votre puits

Les performances, la fiabilité et la durabilité de votre puits dépendent du choix des raccords. Pour faire votre choix, tenez compte des aspects suivants :

1. Compatibilité des matériaux : vérifiez que le matériau du raccord est compatible avec l’environnement du puits, notamment avec les températures extrêmes et les fluides corrosifs. L’acier inoxydable et l’acier au carbone résistent tous deux à l’usure et sont durables.
2. Exigences de charge : tenez compte de la capacité de charge du raccord. Les puits plus profonds ou soumis à des charges plus lourdes nécessitent des raccords plus résistants.
3. Déviation du puits : des raccords flexibles qui peuvent fléchir sans perdre en efficacité opérationnelle conviennent parfaitement aux puits fortement déviés.
4. Conditions opérationnelles : le raccord doit être adapté aux exigences de fonctionnement du puits, notamment en matière de pression, de température et de type de fluide, afin de réduire le risque de défaillance prématurée.

Il est essentiel de tenir compte de ces aspects pour améliorer l’efficacité globale du système, réduire les besoins d’entretien et limiter les temps d’arrêt.

Optimiser la configuration de l’ensemble de tiges

L’optimisation de la configuration de l’ensemble de tiges porte sur le positionnement, les matériaux et les autres caractéristiques du système choisi. Elle consiste également à améliorer d’autres paramètres, comme la résistance à la corrosion des matériaux retenus.

• Choix des matériaux : utilisez des matériaux robustes et résistants à la corrosion, capables de supporter les contraintes opérationnelles et les chocs environnementaux les plus sévères.
• Diamètre des tiges : trouvez un équilibre entre la capacité de charge et la souplesse des tiges afin de réduire l’usure et la consommation d’énergie.
• Conception conique : utilisez des tiges coniques pour mieux répartir les charges et réduire les concentrations de contraintes.
• Analyse dynamique : repérez et traitez les problèmes potentiels, comme le flambage ou la résonance, au moyen de simulations dynamiques.

Ces stratégies améliorent le bilan énergétique du puits, réduisent les taux de défaillance et accroissent la production pendant toute sa durée de vie.

Maintenir des tiges de haute qualité dans des environnements corrosifs

Entretien courant des tiges de pompage

L’entretien des tiges de pompage, en particulier dans des conditions opérationnelles difficiles, exige un calendrier d’entretien adapté, avec des interventions périodiques pour prolonger leur durée de vie et préserver leurs performances.

1. Inspection régulière : repérez les signes d’usure, de corrosion ou de fatigue par inspection visuelle et par contrôle non destructif (CND). Il est préférable de traiter les dommages dès leur apparition pour éviter des pannes coûteuses.
2. Nettoyage : préservez l’intégrité structurelle et l’état de surface des tiges grâce à des méthodes approuvées qui éliminent les débris, la calamine et les dépôts corrosifs.
3. Lubrification : réduisez le frottement et la corrosion en appliquant des revêtements et des lubrifiants adaptés, qui renforcent la résistance à ces deux facteurs.
4. Remplacement des éléments endommagés : remplacez les tiges présentant une usure importante, des fissures ou d’autres défauts critiques pour garantir un fonctionnement régulier et efficace.
5. Surveillance de l’environnement : analysez régulièrement les fluides du puits pour détecter des composés corrosifs tels que H₂S, CO₂ et d’autres composés NH₃, puis prenez les mesures nécessaires pour renforcer la protection.

La mise en œuvre de ces pratiques d’entretien permet d’améliorer l’efficacité opérationnelle, de réduire les temps d’arrêt et de prolonger la durée de vie des tiges.

Gérer la corrosion et les autres difficultés

Des mesures préventives et correctives, notamment le recours à des matériaux anticorrosion, permettent de lutter efficacement contre la corrosion et les autres difficultés rencontrées lors de l’utilisation des tiges, et de prévenir les dommages chimiques. L’utilisation de matériaux protecteurs offrant une meilleure résistance à la corrosion, comme certaines nuances d’acier inoxydable ou des tiges revêtues, réduit également la sensibilité à divers éléments corrosifs. Des inspections régulières sont indispensables pour détecter les premiers signes de dommages, d’usure ou d’autres défauts et intervenir à temps. Dans les systèmes exposés à de fortes concentrations de H₂S ou de CO₂, une protection métallique avancée ou des inhibiteurs de tartre peuvent renforcer la protection du système. Ces mesures améliorent la fiabilité opérationnelle et prolongent la durée de vie des équipements.

Foire aux questions (FAQ)

Q : Que sont les tiges de pompage et comment sont-elles utilisées dans les opérations pétrolières et gazières ?

R : Les tiges de pompage sont des équipements de l’industrie pétrolière et gazière conçus pour relier une unité de pompage en surface à une pompe de fond. Dans les systèmes de pompage par tiges, des tiges en acier servent de liaisons mécaniques pour transmettre l’énergie depuis la surface. Elles fournissent l’énergie mécanique nécessaire pour remonter le pétrole du puits jusqu’à la surface.

Q : Quel est le rôle de la tige polie dans l’ensemble de tiges de pompage ?

R : La tige polie fait partie de l’ensemble de tiges de pompage et se trouve tout en haut de celui-ci. Elle forme une interface lisse en traversant le presse-étoupe, conçu pour assurer l’étanchéité du système de pompage et limiter les fuites.

Q : Quelle est l’incidence de la longueur des tiges de pompage sur l’exploitation des puits de pétrole ?

R : La longueur des tiges de pompage est essentielle, car elle détermine la profondeur à laquelle se trouve la pompe de fond dans le puits. Les opérateurs peuvent adapter l’ensemble de tiges à leurs besoins, car ces tiges sont disponibles en plusieurs longueurs, ce qui permet d’optimiser les performances du système de levage artificiel.

Q : Que sont les raccords de tiges et pourquoi sont-ils importants ?

R : Les raccords de tiges servent à relier les tiges de pompage entre elles et à renforcer le soutien mécanique de l’ensemble. Ils sont essentiels pour obtenir la résistance à la traction nécessaire afin de supporter les contraintes et les forces mécaniques liées à l’extraction du pétrole et du gaz.

Q : À quoi sert une tige pony dans les systèmes de levage par tiges ?

R : Les tiges pony sont un type de tiges de pompage qui permet d’ajuster la longueur totale de l’ensemble de tiges. Elles permettent aux opérateurs de régler cette longueur avec davantage de précision et d’améliorer ainsi le fonctionnement des systèmes de pompage dans le puits.

Q : Quel est le lien entre la spécification API 11B et les tiges de pompage ?

R : La spécification API 11B définit les normes et les spécifications reconnues par le secteur pour les tiges de pompage et leurs raccords. Le respect de ces normes garantit que les tiges sont conçues et testées pour résister aux opérations pétrolières et gazières, ce qui renforce la sécurité opérationnelle.

Q : Quels matériaux utilise-t-on généralement pour fabriquer les tiges de pompage ?

R : Le matériau le plus courant pour fabriquer les tiges de pompage est l’acier fortement allié. Ce choix se justifie par sa résistance mécanique, sa capacité à supporter des charges de traction élevées et son adaptation aux conditions météorologiques difficiles des puits de pétrole.

Q : À quelles difficultés les tiges de pompage sont-elles exposées dans les systèmes de pompage à balancier ?

R : Dans les systèmes de pompage à balancier, les tiges de pompage sont exposées à l’usure et à la fatigue. La viscosité des fluides peut également affecter leur mouvement, en raison des forces dynamiques qui s’exercent sur elles et des contraintes liées à la remontée du pétrole.

Q : Quel rôle joue l’unité de pompage en surface pour les tiges de pompage ?

R : L’unité de pompage en surface fournit l’énergie mécanique à la pompe de fond par l’intermédiaire des tiges. Elle contribue ainsi au fonctionnement des systèmes de levage par tiges et en constitue un élément indispensable.

Q : Comment les équipements de Mountain Country contribuent-ils aux solutions de levage par tiges de pompage ?

R : Mountain Country Equipment se spécialise dans la conception d’équipements destinés à améliorer l’efficacité opérationnelle dans les secteurs du pétrole et du gaz. Ces équipements permettent d’assurer efficacement la mise en production du réservoir à l’aide de tiges de pompage et d’autres systèmes de levage artificiel.

Sources de référence

1. Les inefficacités du levage artificiel ont été résolues grâce à des tiges de pompage en thermoplastique renforcé de fibres (FRTP), légères, économiques, à haute résistance et respectueuses de l’environnement (Saponja et al., 2024)

• Date de publication : 2024-02-12
• Auteurs : J. Saponja et al
• Méthodologie : cette étude porte sur la mise en œuvre et l’évaluation de tiges de pompage en FRTP destinées aux puits profonds, en comparaison avec des solutions en acier et en fibre de verre. Les travaux comprennent le choix des matériaux, la conception assistée par ordinateur (CAO), le prototypage par impression 3D, les essais structurels et des essais sur le terrain dans des puits en exploitation. L’analyse en laboratoire compare les tiges en FRTP à d’autres technologies et à d’autres composites FRTP.
• Principaux résultats : les matériaux composites FRTP offrent une résistance spécifique inégalée, supérieure à 10.3, ainsi qu’un module spécifique en traction inégalé, supérieur à 1500, des niveaux sans précédent de résistance aux chocs et à la fatigue, une résistance à la corrosion inégalée et un coût sans équivalent par rapport à l’acier. La résistance au cisaillement spécifique des FRTP permet de fabriquer un ensemble complet de tiges de pompage. Les premiers essais sur le terrain indiquent que les tiges de pompage en FRTP devraient offrir d’excellentes performances dans les puits profonds à fort débit équipés d’un système de pompage par tiges.

2. Des tiges de pompage flexibles et légères optimisent le levage artificiel grâce à l’amélioration thermique apportée par les plastiques renforcés de fibres (Carpenter 2024)  

• Publié le : 1er octobre 2024
• Auteur : C. Carpenter (cet article de synthèse résume les résultats de Saponja et al. (2024))
• Méthodologie : cet article de synthèse s’appuie sur l’étude de Saponja et al. 2024. Il examine les implications de ces recherches et leurs effets sur le secteur du pétrole et du gaz.
• Principaux résultats : l’article confirme la supériorité des tiges de pompage en FRTP sur les tiges en acier et en fibre de verre thermodurcissable en matière de personnalisation des caractéristiques de surface à valeur ajoutée. Les Arps et les sheds soumis à une défaillance par cisaillement peuvent supporter des charges de compression avec le FRTP. Toutes les configurations d’ensembles de tiges en FRTP sont autorisées. L’article examine également les avantages environnementaux du FRTP.

3. Étude de la sensibilité à la corrosion sous contrainte de quatre tiges de pompage de résistances différentes dans des fluides de puits à forte salinité  (Zhang et al., 2023)

• Publié le : 15 septembre 2023
• Auteurs : Fenna Zhang et autres
• Méthodologie : les auteurs ont réalisé un essai de corrosion sous contrainte à facteur unique et un essai de traction lente SSRT sur quatre tiges de pompage à haute résistance, avec différentes concentrations de chlorures et de bicarbonates et différents niveaux de résistance en service. Ils ont évalué la sensibilité de toutes les tiges à la fissuration par corrosion sous contrainte.
• Principaux résultats : dans des conditions de corrosion sous contrainte, les tiges 4330 ont présenté une perte de travail absorbé et un allongement supérieurs à ceux des autres tiges. La tige 30CrMoA a subi le moins de corrosion sous contrainte dans des conditions très corrosives. Les auteurs indiquent que la forte résistance à la traction ne suffit pas à expliquer à elle seule la sensibilité néfaste à la fissuration par corrosion sous contrainte.

4. Fonctionnement d’une pompe à tiges de pompage – MIT – Description détaillée des pompes à tiges de pompage et de leur mécanisme.