Brevet FR2146931A1 — publié le 19730309

La présente invention concerne la commande du débit fourni par un séparateur de fluides en plusieurs phases, sous pression élevée, par le réglage de l'évacuation de la phase gazeuse. Plus précisément, l'invention concerne la circulation des liquides provenant du séparateur de manière a maintenir un niveau prédéterminé dans cet appareil en réglant la pression d'évacuation du gaz avec la pression du séparateur et la pression à laquelle les liquides sont transmis par le séparateur. I1 est de pratique courante de faire passer les liquides et les gaz d'un puits de pétrole dans un séparateur, de détecter le niveau de liquide dans le séparateur et de régler le débit du gaz fourni par cet appareil de manière à maintenir la pression à une valeur juste suffisante pour chasser les liquides du séparateur. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique t 2 997 053 et 2 664 170 décrivent un dispositif simple de réglage destins a assurer ce rôle. Le système est couramment appelé système à double commande. Les soupapes à gaz et a liquide des systèmes de double commande sont reliées mécaniquement, si bien que, lorsque la soupape de liquide s'ouvre, celle du gaz se déplace vers la position de fermeture de manière a maintenir une pression minimale de refoulement dans le gaz du séparateur. Inversement, la fermeture de la soupape de liquide provoque l'ouverture de la scupape de gaz pour maintenir la pression juste suffisante pour que le liquide puisse s'couler du récipient sans qu'il s'exerce une pression excessive sur le puits qui alimente le séparateur. Au-dessous de la mer, il est exclu d'utiliser une liaison mécanique entre les soupapes, du fait de la corrosion et de l'engorgement dus au milieu très dur. En général, l'utilisation d'é déments primaires pour détecter des paramtres et créer des pressions de fluide destinées a des éléments commandes, par exemple des soupapes,constitue une variante satisfaisante à la liaison mé canique. Le milieu sous-marin sévère impose non seulement ce choix, mais la pression élevée de tels récipients fonctionnant comme sé- parateurs impose cette disposition. On peut placer un élément primaire quelconque sensible au niveau du liquide dans le séparateur et fournissant une pression de fluide représentative de ce niveau pour le réglage de la soupape d'évacuation de liquide, sensible à la pression. Cependant, la création d'un signal de commande voulu de la soupape de gaz simultanément est une complication très importante. En résumé, le problème consiste à contrler le niveau de liquide d'un séparateur sous pression élevée qui peut se trouver sous la mer, par modification du débit d'évacuation du liquide tout en conservant la pression du séparateur à une valeur prédéterminée supérieure à la pression de transmission de liquide sans liaison mécanique entre les soupapes ou un signal commun envoyé a celleci et dépendant du niveau détecté du liquide. L'invention concerne le réglage de l'évacuation du gaz d'un séparateur de manière à maintenir la pression dans celui-ci à une valeur prédéterminée au-dessus de la pression de la canalisation de transmission de liquide a partir du séparateur. On règle l'évacuation du liquide à l'aide d'une soupape commandée par-le niveau de liquide dans le séparateur, et on règle l'évacuation du gaz a l'aide d'une soupape sensible à une combinaison de la pression du séparateur et de la pression de la canalisation de transmission de liquide, ainsi qu1a une force élastique. On modifie la pression de la canalisation de transmission en réglant le débit en aval du séparateur, la combinaison de la différence des pressions et de la force élastique commandant la pression dlffivacuation du gaz, seule cette pression s'exerçant dans le séparateur et chassant le liquide de celui-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique représente schématiquement un séparateur sous-marin placé sur une toute de puits et commandé par un système selon l'invention. La réparation des liquides et des gaz fournis par un puits de pétrole est un problème fondamental déjà ancien. I1 est classique de disposer un récipient a la tête du puits, en association avec celle-ci, en vue de la séparation des fluides. Des conduits séparés de sortie fournissent les fluides séparés. On doit régler plusieurs pressions au cours de cette séparation. Le puits peut fournir les fluides a une pression très élevée, de l'ordre de centaines de bars. On peut utiliser une soupape pour régler ce débit dans le récipient. Les soupapes des conduits de sortie règlent la pression a laquelle les fluides proviennent du séparateur. En conséquence, il existe une pression du puits, une pression du récipient et des pressions des conduitstet on doit les régler lors de la mise en oeuvre de la séparation. Cette opération est complexe à divers égards. Jusqu'a présent, on a utilisé une soupape placée à la têtue du puits pour fixer le débit fourni au séparateur. Une telle vanne est d'accès facile en vue de son réglage. Le niveau de liquide dans le séparateur est détecté par un flotteur associé mécaniquement aux soupapes des conduits de sortie. Le flotteur est associd de façon simple et règle simultanément les soupapes de gaz et de liquide en réglant la soupape de gaz de manière que la pression du séparateur se maintienne a une valeur juste suffisante pour chasser le liquide dans la canalisation de transmission en vue de le traiter ultérieurement. On doit modifier tout ce système dans le cas de séparateurs immergés et destinés à recevoir la production de puits sous-marins. Sous la mer et dans le cas de pressions élevées, on ne peut pas détecter le niveau avec un simple flotteur associé par une tringlerie externe aux soupapes. Les pressions élevées et/ou le milieu sévère de la mer empechent cette simple disposition. I1 est nécessaire d'analyser les forces qui s'exercent sur les systèmes pqur mettre au point un ensemble aussi fiable que le système ancien, et fournissant de façon sûre la force nécessaire pour déplacer les liquides, tout en exerçant une pression minimale sur le puits. L'invention concerne le réglage du débit total du séparateur a distance, en un point facilement accessible depuis la surface. La canalisation de transmission du liquide comporte la soupape de réglage de base a la surface ou a sa proximité, et la canalisation de transmission du liquide et le separateur sont tels qu'ils peuvent supporter la pression maximale du puits. Ceci s'oppose au réglage ancien d'une soupape de tête de puits réglant le débit de la production dans le séparateur, celui-ci et la canalisation de transmission ne supportant que la pression en aval de la soupape de la tête du puits. De plus, le niveau des liquides séparés est détecté par un dispositif différant d'un simple flotteur. On peut utiliser sous la mer plusieurs détecteurs de niveau. La demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n9 789 179, du 6 janvier 1969 déposée par Bill S. BURRUS et John 3* ROSSO décrit un dispositif de détection de niveau par irradiation remplissant ce rôle. ocelle que soit la nature du signal créé en fonction du niveau du liquide, il est souhaitable que ce signal soit transmis sous forme d'une pression de fluide qui s'exerce sur la soupape de réglage du débit de liquide de la canalisation de transmission. Cependant, il est encombrantt maladroit de modifier aussi ce signal pour régler simultanément la soupape de gaz de la manière voulue. Comme on veut essentiellement que la pression du séparateur soit supérieure à la pression par la canalisation de transmission, on doit régler la soupape du gaz en fonction de la différence entre ces deux pressions, la soupape étant repoussée par une force constante. On doit appliquer simultanément ces trois forces à un dispositif sensible à la pression de commande de la soupape de gaz. Ainsi, alors qu'on règle le niveau à l'aide de la soupape de liquide pour maintenir le niveau du liquide dans le séparateur dans les limites prédéterminées, on doit régler la vec soupape de gaz pour évacuer du gaz 2 un débit qui fixe la pres- sion du séparateur à une valeur prédéterminée supérieure à la pression de la canalisation de transmission en aval de la soupape d'évacuation de liquide. Sur le. dessin. , on a représenté un dispositif placé sous la mer dont l'eau a une surface 1 au-dessus du fond 2. Un puits percé dans le fond 2 se termine par une tête 3. Les têtes ont en général un aspect plus compliqué que ce qu'on a représenté. Cependant, il suffit selon l'invention de noter le conduit 4 relié de manière à faire passer les matières fournies par le puits de la tette au séparateur 5 formé par un récipient. Pour indiquer la séparation, on a représenté un conduit 6 d'évacuation de liquide et un conduit 7 d'évacuation de gaz, allant du récipient 5 à la surface 1. I1 détermine le simple trajet d'écoulement des fluides produits par le puits sous-marin. Le réglage du débit de fluide commence avec la soupape 8. Le réglage de celle-ci fixe le débit de liquide fourni par la tête 3 et destiné à être trait ultérieurement. Si le puits est fermé,c'est-à-dire qu'il ne circule pas de liquide, la pression du puits existe dans le conduit 4, le séparateur 5 et le conduit 6. Evidemment, il est essentiel que ces dispositifs ré- sistent à cette pression interne élevée. Lorsqu'on ouvre la soupape 8, en fixant le débit de liquide, on maintient un niveau compris dans une plage voulue dans le séparateur 5, et une pression voulue qui assure la circulation du liquide dans le conduit 6 pour un traitement ultérieur. On a représenté un dispositif nucléaire 9 qui détecte le niveau du liquide dans le séparateur 5. I1 s'agit d'un ensemble décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique précitée. On peut utiliser à cet effet tout détecteur de niveau qui peut fonctionner sous la mer. On crée ainsi une pression de fluide représentative du niveau du liquide, et on utilise le signal pour commander la soupape 10. Celle-ci se trouve dans le conduit 6 et modifie le courant fixé par la soupape 8 pour maintenir le niveau dans le séparateur 5 entre des limites prédéterminées. Comme le montre le dessin, un dispositif 11 de commande comprenant essentiellement un carter dans lequel se trouve un piston, est associé à la tige de la soupape 10. Un ressort prend appui d'un coté du piston et le signal correspondant à une pression de fluide fourni par le détecteur 9 s'exerce sur la face opposée du piston. Le ressort tend à déplacer la soupape dans une direction et la pression de fluide s'oppose à cette force élastique e a tFplacer la soupape en sens opposé. I1 faut noter qu'on peut utiliser d'autres types de dispositifs de commande de soupape commandés par une pression, et on n'a représenté ce type à piston qu'à titre illustratif. Le réglage de la soupape 8 fixe la pression dans le conduit 6. Si la soupape 8 est ouverte, la pression dans le conduit 6 tombe. Simultanément, le détecteur 9 règle la soupape 10 de ma niera à maintenir le niveau dans le séparateur 5. En conséquence, la pression dans ce séparateur 5 varie lors du réglage de la soupape 10 qui règle la différence de pression nécessaire pour que le liquide s'écoule du séparateur 5 en maintenant le niveau désiré. Les éléments essentiels de l'invention entrent alors en jeu. Le gaz séparé du liquide sort par le conduit 7, comme le détermine le plage de la soupape 12. Selon l'invention, on règle cette soupape de façon à créer une pression supplémentaire dans le séparateur suffisante pour chasser les liquides par la soupape 10, mais empêchant la pression du séparateur d'atteindre une valeur plus élevée qu'il n'est nécessaire et qu'il ne s'établisse une contre-pression dangereuse sur le puits. A cet effet, un dispositif 13 de commande à pression de fluide est monté sur la soupape 12 et assure le réglage en agissant sur elle. Selon l'invention, la pression du séparateur et la pression de la canalisation de transmission de liquide s'exercent en sens opposéqsur le dispositif de commande. La force constante d'un ressort s'exerce aussi sur ce dispositif. Cette force élastique a tendance a fermer la soupape 12 qui augmente la pression du séparateur en réduisant l'évacuation du gaz. La pression de la canalisation de transmission s'ajoute a la force élastique. Toute diminution de la pression dans la canalisation de transmission provoque aussi une réduction de la pression du séparateur en la maintenant suffisamment élevée pour chasser le liquide. La pression qui règne dans le séparateur s'exerce a l'opposé et fixe une limite supérieure à la pression du séparateur et en conséquence,une limite à la pression qui s'exerce sur le puits. Lorsque ces trois forcesyen équilibre, la pression du séparateur se trouve à une valeur prédéterminée supérieure à la pression de la canalisation de transmission, ce qui assure le transfert des liquides,mais cette pression n'est heureusement pas suffisante pour empêcher la production du puits. I1 est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS r 1. Système de contrôlé d'un séparateur sous-marin à deux phases, caractérisé en ce qu'il comprend une canalisation d'entrée reliée a un séparateur sous-marin destinéeà intro duire un courant en deux phases de fluide dans le séparateur, une canalisation de sortie de gaz reliée au séparateur, une canalisation de sortie de liquide reliée au séparateur, une soupape placée dans la canalisation de liquide destinée à commander le débit de liquide fourni par le séparateur, un dispositif destiné à détecter le niveau de liquide dans le séparateur et a commander la soupape de la canalisation de liquide de manière à maintenir un niveau compris dans une plage prédéterminée dans le séparateur, une soupape placée dans la canalisation de gaz et un dispositif destiné à détecter la pression du séparateur et la pression de la canalisation de liquide en aval de la soupape de liquide de manière à commander la soupape de la canalisation de gaz, de façon que la pression de gaz dans le séparateur se maintienne a une valeur prédéterminée supérieure à la pression qui règne en aval dans la canalisation de liquide, le niveau de liquide dans le séparateur étant maintenu dans une plage prédéterminée. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les soupapes sont sensibles à la pression, et le dispositif destiné a détecter le niveau de liquide dans le séparateur, la pression du séparateur et la pression de la canalisation de liquide crèent des forces destinées à la commande des soupapes. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la soupape de la canalisation de gaz est commandée par une pression créée par le dispositif destiné à la détection de la pression du séparateur et de la pression de la canalisation de liquide, sous forme d'une différence de deuxforces correspondanse additionnée d'une force élastique. 4. Système de réglage d'un séparateur sous-marin de pétrole et de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un récipient séparateur de pétrole et de gaz placé sous la mer et destiné à recevoir les fluides fournis par un puits de pétrole, un conduit d'entrée placé entre le puits et le séparateur et qui fournit les fluides au séparateur, un premier conduit de sortie relié au récipient et destiné au passage de liquide vers l'appareillage de traitement placé en surface, une première soupape placée dans le premier conduit et destinée a régler le débit des liquides transmis par le séparateur, une seconde soupape place dans le premier conduit et commandée de manière a maintenir un niveau de liquide dans le séparateur, un dispositif associé au séparateur et destiné à détecter le niveau de liquide dans celui-ci et à régler la seconde soupape de manière à maintenir ce niveau, un second conduit de sortie associé au récipient et destiné à chasser le gaz en vue de l'évacuer, une troisième soupape place dans le second conduit et destinée à régler le débit du retrait de gaz et en conséquence la pression dans le séparateur, et un dispositif commandé par la pression et destiné à commander la troisième soupape, monté de manière à être sensible à la combinaison de la pression du séparateur et de la pression de la canalisation de transmission de liquide ainsi que d'une force élastique, cette combinaison assurant le réglage de la troisième soupape de manière a maintenir la pression du séparateur a une valeur supérieure à la pression de transmission des liquides. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de commande de la troisième soupape est un dispositif à piston et comporte un ressort destiné à exercer une force sur le piston.