Brevet FR2424473A1 — publié le 19791123

La présente invention concerne une méthode et un dispositif pour acheminer dans un conduit un fluide diphasique à teneur en gaz libre élevée. Une des applications de l'invention, à laquelle on se réfère ci-dessous à titre non limitatifwest la récupération totale des effluents pétroliers délivrés par un champ de production. Les effluents pétroliers délivrés par un champ de production comportent souvent une phase liquide et une phase gazeuse. Lorsque la masse de gaz représente 10 à 20 % de celle du liquide, ce qui correspond à une valeur élevée d rapport volumétrique de gaz par rapport au liquide, l'augmentation de pression du mélange gaz-liquide ne peut etre obtenue avec les appareillages de pompage actuellement utilisés. On est alors contraint de séparer la phase liquide de la phase gazeuse pour pouvoir ensuite traiter séparément chacune d'elles. Cette séparation est réalisée dans une ou plusieurs enceintes en diminuant progressivement la pression du mélange gaz-liquide jusqu'à la valeur de la pression atmosphérique. Des pompes augmentent alors la pression du liquide seul pour assurer sa circulation dans le ou les conduits prévus à cet effet. te gaz qui subit un traitement séparé, est soit brûlé dans des torchères sans récupération daénergie, ou quelquefois utilisé pour produire une partie de lié- nergie necessaire aux appareillages équipant le champ de production , soit réinjecté dans les formations après élévation de pression pour augmenter le taux de récupération d'huile fournie par ces formations. Mais ce gaz est rarement liquéfié ou acheminé par conduite séparé, car cela nécessite des investissements très couteux qui jusqu ici s'avéraient peu ou pas rentables. Outre le fait que le gaz produit simultanément avec le liquide n'est pratiquement jamais récupéré, la séparation gaz-liquide nécessite un appareillage volumineux, ce qui est un inconvénient notable lorsqu'il s'agit de champs de production marins et se traduit par une perte d'énergie non négligeable pour élever à nouveau la pression du liquide qui a été réduite lors des opérations de séparation gaz-liquide. La présente invention a pour but de supprimer ou tout au moins de réduire ces inconvénients, en proposant une méthode qui permette la récupération de la plus grande partie des effluents pétroliers délivrés par un champ de production et l'acheminement des deux phases dans un seul et même conduit. L'appareillage qui met en oeuvre la méthode selon l'invention a de plus l'avantage d'etre compact ce qui facilite son utilisation dans les installations de production pétrolières marines. L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaitront à la lecture du texte descriptif qui suit et qui est illustré par les figures annexées parmi lesquelles': - la figure 1 représente schématiquement l'ensemble de l'appareillage mettant en oeuvre la méthode selon l'invention, - la figure 2 illustre un mode de réalisation de l'organe adapté 8 augmenter la pression du gaz, - la figure 3 représente une réalisation possible de Organe mélangeur, et - les figures 4, 5, 6 et 7 illustrent un exemple de réalisation de l'organe séparateur gaz-liquide. Sur la figure 1, la référence I désigne la canalisation par laquelle arrive sous pression tout ou partie de l'effluent pétrolier délivré par le champ de production, cet effluent comportant une phase liquide et une phase gazeuse dans un rapport volumétrique gaz/liquide tel que la pression de cet effluent ne peut être augmentée notablement par un organe de pompage existant actuellement. Cet effluent est introduit dans un organe 2 se séparation des phases liquide et gazeuseJadapté de préférence à effectuer cette opération sans dimunution importante de la pression. L'organe 2 délivre dans une canalisation 3 au moins toute la fraction liquide de effluent pétrolier qui éventuellement est transmise à un réservoir-tampon 4.Ce dernier communique par une canalisation 5 avec un organe mélangeur 6 qui reçoit d'autre part, par I'intermédiai- re de la canalisation 7, une fraction de la phase gazeuse délivrée par le séparateur 2. Le mélangeur 6 est adapté à produire un fluide diphasique ayant un rapport volumétrique gaz/liquide au plus égal à la valeur maximale du rapport volumétrique du mélange de fluide diphasique que peut traiter un organe de pompage 9 à l'entrée duquel l'organe mélangeur 6 ést relié par une canalisation 8. L'organe de pompage 9 est adapté à augmenter la pression du fluide diphasique et à diminuer la valeur du rapport volumétrique de ce fluide jusqu'à une valeur de préférence nulle, c'est-à-dire pour laquelle la totalité du gaz existant à l'entrée de l'organe de pompage 9 est dissous dans le liquide. Simultanément, la fraction restante de gaz produit par l'organe 2 est transmise par une canalisation 10 à un organe 11 capable d'élever la pression de ce gaz jusqu'à une valeur sensiblement égale à celle du liquide délivré par l'organe de pompage 9. Une fraction du gaz sortant de l'organe ll est transmise par une canalisation 7a à un nouvel organe mélangeur 6a qui reçoit également par la canalisation 12 le liquide sous pression produit par l'organe de pompage 9. L'organe mélangeur 6a produit un fluide diphasique de rapport volumétrique gaz-liquide déterminé, transmis à un organe de pompage 9a dont les propriétés sont semblables à celles de l'organe de pompage 9, c'est-à-dire qu'il augmente la pression du fluide diphasique en diminuant son-rapport volumétrique de préférence jusqu'à une valeur nulle. Si la totalité du gaz délivré par organe 2 ntest pas dissoute dans le liquide, la fraction de gaz restante est transmise par une canalisation 10a à un organe élévateur de pression lla pour etre ensuite mélangée au liquide produit par l'organe de pompage 9a dans le mélangeur 6b dont la sortie communique avec un nouvel organe de pompage 9b, etc... Lorsque la quasi totalité du gaz est dissoute dans le liquide, l'en- semble est introduit dans la canalisation de transport non représentée, pour etre acheminé à destination où, par décompression, la vaporisation du gaz dissous peut être obtenue avant sa séparation d'avec le liquide. On voit donc bien que, dans le cas d'effluents pétroliers, la méthode selon l'invention permet la récupération de la fraction gazeuse de ces effluents sans nécessiter de conduit supplémentaire pour leur acheminement. Les organes de pompage tels que ceux désignés par les références 9, 9a, 9b ... pourront être de tout type connu. Toutefois, pour réaliser un appareillage compact ne mettant en oeuvre que le minimum d'organe de pompage, il sera préférable d'utiliser des organes du type hélico-axial tels que décrit dans la demande de brevet français na 2 333 139, capables d'augmenter la pression de fluides diphasiques ayant un rapport volumétrique gaz-liquide de valeur supérieure à celle des fluides diphasiques que peuvent admettre les autres organes de pompage existant actuellement. Les organes tels que 11, Il a,.. adaptés à élever la pression du gaz pourront être de tout type connu tel que des compresseurs ou encore être cnnstitués par les dispositifs décrits dans la demande de brevet français E.N. 78/04331. Sommairement, comme le montre la figure 2, l'organe ll comporte un mélangeur 13 recevant d'une part le gaz par l'intermédiaire de la canalisation 10 et d'autre part une quantité suffisante d'un liquide auxiliaire qui est, par exemple, une fraction du liquide sortant de l'organe séparateur 2, ou qui résulte d'une transformation chimique du gaz délivré par l'organe séparateur 2, ce liquide auxiliaire étant introduit en 14. Le mélangeur 13, par exemple du type de celui illustré à la figure 4 de la demande de brevet français E.N. 78/04331, délivre un fluide diphasique transmis à un organe de pompage approprié 15, par exemple du type hélico-axial indiqué plus haut. Un séparateur 39 du même type que le séparateur 2, permet la récupération du liquide auxiliaire qui peut être réintroduit dans le mélangeur 13 par la canalisation 39a. L'organe mélangeur 6, 6a ... peut être de tout type connu. Un mode non limitatif de réalisation de cet organe mélangeur est illustré par la figure 3. Cet organe mélangeur comporte une canalisation 16 et une canalisation 17 reliant respectivement les canalisations 5 et 7 à la canalisation 8. En série avec la canalisation 16 sont placés un organe 18 de mesure du volume (ou du débit) de liquide circulant dans la canalisation 16, un organe 19 créant une perte de charge réglable et éventuellement une pompe 20 assurant la circulation du liquide dans-cette canalisation, En série avec la canalisation 17 sont placés un organe 21 de mesure du volume (ou du débit) de gaz circulant dans la canalisation 17, un organe 22 créant une perte de charge réglable et éventuellement un réservoir de purge 23 permettant de récupérer par gravité la fraction de liquide qui pourrait être contenue dans l'écoulement gazeux et dont le fond communique avec une canalisation de purge 24 pourvue d'un organe 25 d'obturation totale ou partielle, et eventuellement d'une pompe 26.Le réglage de l'ouverture de l'organe d'obturation 25 ainsi que le fonctionnement de la pompe 26 peuvent être obtenus automatiquement et séquentiellement, par exemple, par un détecteur de niveau (non représenté) du liquide dans le réservoir 23. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, la canalisation 24 relie le réservoir 23 au réservoir de liquide 4. Le mélangeur 6 comporte en outre un organe schématisé en 28, comprenant par exemple deux capteurs de pression 29 et 30 mesurant respectivement la pression dans les canalisations 16 et 17 immédiatement en amont de leur raccordement à la canalisation 8, cet organe 28 étant adapté à délivrer un signal représentatif de la différence des pressions mesurées par les capteurs 29 et 30. Les organes créant des pertes de charge 19 et 22 sont automatiquement placés dans la position désirée par des organes de motorisation schématisés en l9m et 22m. Ces organes de motorisation sont actionnés par un élément de commande 31 auquel elles sont reliées par des lignes de transmission 32 et 33 res pectivement, ce circuit de commande agissant en fonction du signal délivré par l'organe 28 et transmis par la ligne 34. Le mélangeur 6 comprend également un organe 27 créant une perte de charge réglable dans l'écoulement de gaz qui circule dans la canalisation 10 et l'organe 11 adapté à élever la pression du gaz qui le traverse. L'organe créant une perte de charge 27 est automatiquement placé dans la position désirée par un organe de motorisation 27m actionné par un élément de commande 35 qui transmet un signal de commande par la ligne 36 en fonction de signaux délivrés par les éléments de mesure 18 et 21, transmis par les lignes 37 et 38. Pendant le fonctionnement, le liquide et le gaz pénètrent dans l'organe mélangeur 6 avec une pression sensiblement égale PE et le fluide diphasi que est délivré à la canalisation 8 sous une pression P5 qui est en général légèrement inférieure à L'organe 28 délivre un signal représentatif de la différence des pressions dans les canalisations 16 et 17 immédiatement en amont de leur connexion à la canalisation 8.En fonction de ce signal, l' élément de commande 31 ac tionne les organes de motorisation 19m et 22m qui modifient l'état des organes créant des pertes de charge 19 et 22 de sorte que la différence des pressions mesurées par l'organe 28 diminue jusqu a s' annuler, Simultanément, les débits (ou volumes) de gaz et de liquide circulant dans les canalisations 16 et 17 sont mesurés par les organes 18 et 21 respectivement qui délivrent des signaux représentatifs de ces débits, transmis à l'organe de commande 35.Ce dernier élabore un signal de contrôle de l'organe de motorisation 27m qui agit sur l'organe créant une perte de charge 27 pour que le rapport du débit de gaz à celui du liquide reste sensiblement constant en ayant une valeur prédéterminée sensiblement égale au rapport des volumes gaz/liquide du fluide diphasique que lton désire obtenir dans la canalisation 8. Ainsi, lorsque le rapport des signaux produits par les organes 21 et 18 est supérieur à une valeur prédéterminée correspondant à la valeur du rapport des volumes gaz-liquide du fluide diphasique que l'on désire obtenir dans la canalisation 8, organe de commande 35 provoque la diminution de la valeur de la perte de charge en 27, ce qui augmente le débit de liquide circulant dans la canalisation 10 et, en conséquence, provoque la diminution du débit de gaz traversant la canalisation 17. Au contraire, lorsque le rapport des signaux produits par les organes 21 et 18 est inférieur à la valeur prédéterminée, l'organe de commande 35 provoque l'augmentation de la valeur de la perte de charge en 27, ce qui diminue le débit de liquide dans la canalisation 10 et corrélativement accroit le débit de gaz dans la canalisation 17. Autrement dit, I'organe mélangeur 6 égalise les pressions du gaz et du liquide avant leur mélange en asservissant les valeurs de pertes de charge dynamiques placées sur les écoulements de gaz et de liquide en fonction de la différence des pressions de ces écoulements et asservit également le débit du gaz à celui du liquide en fonction du rapport volumétrique gaz-liquide. Les organes de mesures 18 et 21 qui sont, par exemple, constitués par des débitmètres, les organes créant des pertes de charge 19, 22 et 27 qui sont par exemple constituées par des diaphragmes réglables et les éléments 29 et 30 qui sont des détecteurs de pression sont des éléments bien connus de la technique, et ne seront pas décrits en détail, pas plus que les organes de commande 31 et 35 dont la réalisation est à la portée de l'homme de l'art. Le réservoir de purge 23 placé en série avec la canalisation 17 permet de récupérer par gravité la fraction de liquide qui pourrait être contenue dans l'écoulement gazeux. Le séparateur gaz-liquide désigné par la référence 2 sur la figure 1 peut être de tout type connu. La figure 4 .montre, à titre d'exemple, un mode possible de réalisation de ce séparateur qui se compose essentiellement d'un élément actif 40 capable d'imprimer au fluide diphasique un mouvement rotationnel dans un plan perpendiculaire à la direction d'écoulement et d'un élément distributeur 41 délivrant séparément le fluide gazeux et le fluide liquide. L'élément actif 40 comporte un corps tubulaire 42 dans lequel est placé un rotor 43 solidaire en rotation de l'arbre tournant 44 d'un moteur non représenté. Ce rotor porte des pales 45.qui, comme le montrent schématiquement les figures 5, 6 et 7 représentant des vues développées du rotor, peuvent être planes et disposées radialement (fig. 5), ou inclinées par rapport à l'axe de rotation (fig. 6), ou encore des pales incurvées (fig. 7). Dans le cas des figures 6 et 7, l'angle d'inclinaison des paies 45 par rapport à l'axe de rotation du rotor 43 est déterminé en fonction de la vitesse axiale de l'écoulement et de la vitesse de rotation du rotor 43. Sous l'action de la force centrifuge développée par la rotation, on observe une séparation des phases liquide et gazeuse, la phase gazeuse étant maintenue au centre de l'écoulement alors que la phase liquide de densité plus grande, est la plus éloignée de l'axe de rotation du rotor. Eventuellement, les extrémités du rotor 43 sont profilées pour supprimer pratiquement toute perturbation dans l'écoulement. Dans ces conditions et comme on peut le voir sur la figure 4, l'élé- ment distributeur 41 est composé de deux tubes concentriques 46 et 47 dont le plus petit ne recueille pratiquement que la phase gazeuse, et qui sont respectivement reliés aux canalisations 3 et 10 (fig. 1). Le fluide diphasique est introduit dans l'ensemble 40 - 41 par un conduit de raccordement 48 relié à la canalisation 1. Des modifications pourront'être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. En particulier, il sera possible d'utiliser un organe séparateur 2 qui ne délivre dans la canalisation 10 qu'unie fraction du gaz contenu dans le fluide diphasique et dans la canalisation 3 un fluide diphasique dont le rapport volumétrique est compatible avec son admission dans l'organe de pompage 9 utilisé. En conséquence, l'appareillage correspondant sera simplifié par la suppression de la canalisation 7 et du mélangeur 6, (fig. 1) le réservoir 4 communiquant alors directement avec l'organe de pompage 9, le reste de la figure 1 étant inchangé. Le mode de réalisation de l'élément 40 illustré par la figure 4 ne met en oeuvre qu'un rotor mais il sera possible d'utiliser deux rotors distincts entraînés par des moteurs séparés dont les vitesses de rotation sont adaptables de façon continue. REVENDICATIONS I. - Méthode pour acheminer dans un conduit un écoulement diphasique à teneur en gaz libre élevée en mettant Un oeuvre des organes de pompage qui admettent des fluides diphasiques dont le rapport volumétrique gaz/liquide a une valeur au plus égale à une valeur limite, caractérisée en ce que - on produit un premier fluide diphasique dont le rapport volund- trique gaz/liquide a une valeur au plus égale à la valeur limite, par séparation d'une fraction du gaz libre, - on diminue la valeur du rapport volumétrique de ce premier flui de en augmentant sa pressiontet en ce que, pour obtenir la dis parition du gaz libre, on effectue au moins une fois l'ensem ble des opérations suivantes on augmente la pression de la fraction restante de gaz libre, on produit un second fluide diphasique dont le rapport volumétrique gaz/liquide a une valeur au plus égale b la valeur limite, par mélange à pression égale d'une nou velle fraction au moins du gaz libre et du fluide obtenu après augmentation de la pression du premier fluide diphasique, on diminue le rapport volumétrique gaz/liquide du second fluide diphasique par augmentation de sa pression, le ; dernier fluide obtenu étant introduit dans" le conduit après son augmentation de pression. -2. - Méthode selon la revendication I, caractérisée en ce quton réalise la production du premier fluide diphasique sans diminution importante de sa pression. 3. - Méthode selon une des revendications précédentes, caractdri- sée en ce qu'on produit le premier fluide diphasique après avoir séparé la totalité du gaz libre d'avec le fluide liquide composant l'écoulement diphasique et en mélangeant à pression sensiblement égale une fraction déterminée du gaz libre et du fluide liquide. 4. - Méthode selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que on diminue jusqutà une valeur nulle, la valeur du rapport volumétrique gaz/liquide des différents fluides diphasiques successivement produits. 5. - Dispositif pour acheminer dans un conduit un écoulement diphasique à teneur en gaz libre élevée, en utilisant des organes de pompage qui admettent des fluides diphasiques dont le rapport volumétrique gaz/liquide a une valeur au plus égale à une valeur limite, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison - des moyens séparateurs pouvant produire simultanément et séparé ment un premier fluide diphasique dont le rapport volumétrique a une valeur au plus égale à la valeur limite, ce fluide di phasique comportant la totalité du fluide liquide composant l'écoulement diphasique, et un écoulement gazeux comportant la fraction restante du gaz libre de l'écoulement diphasique, - un premier organe de pompage dont 1 'orifice d'admission re çoit exclusivement le fluide diphasique délivré par les moyens séparateurs, cet organe étant adapté à diminuer la valeur du rapport volumétrique du fluide diphasique qui le traverse en augmentant sa pression et > - au moins un ensemble de traitement constitué d'un organe adapté à élever la pression de la fraction restante de gaz libreldont l'orifice d'admission reçoit exclusivement l'écoulement gazeux délivré par les moyens séparateursy d'un mélangeur communiquant avec les orifices d'évacuation du premier organe de pompage et de l'organe adapté à élever la pression du gaz, ce mélangeur délivrant un second fluide di phasique résultant du mélange à pression sensiblement égale du gaz et du fluide délivré par le premier organe de pompage et > d'un second organe de pompage dont l'orifice d'admission est relié à l'orifice d'évacuation du mélangeur, ce second organe de pompage étant capté à diminuer le rapport volumétrique du second fluide diphasique, l'orifice d'évacuation de l'organe de pompage du dernier ensemble de traitement communiquant avec le conduit. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe adapté à augmenter la pression du gaz délivre ce gaz sous une pression peu différente de la session du fluide délivré par le premier organe de pompage. 7. - Dispositif selon une des revendications 5 ou 6. caractérisé sensiblement en ce que le mélangeur comporte des moyens pour egaiiseryi pression du gaz et du fluide issu du premier organe de pompage avant leur mélange et des moyens pour asservir la quantité de gaz mélangé à la quantité de ce fluide en fonction de la valeur du rapport volumétrique gaz/liquide qui doit être obtenu. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'organe adapté à augmenter la pression du gaz est un compresseur. 9. - Dispositif selon la revendication 5; caractérisé en ce que l'organe adapté à augmenter la pression comporte des moyens deproductinn d'un fluide diphasique par mélange du gaz avec un liquide auxiliaire, un élément de pompage du fluide diphasique ainsi obtenu et un séparateur gaz-liquide recevant le fluide diphasique après augmentation de pression. 10. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les organes de pompage sont constitués par des pompes du type hélico-axial. Il. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'ensembles de traitement de même type connectés en série de sorte que le mélangeur d'un ensemble communique directement avec l'orifice de sortie de l'organe de pompage de l'ensemble précédent et que l'orifice d'admission de l'organe adapté à augmenter la pression du gaz d'un ensemble communique avec orifice d'évacuation de l'organe adapté à augmenter la pression du gaz de l'ensemble de traitement précédent. 12, - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le séparateur produit simultanément par son premier orifice sensiblement tout le fluide li quide et par son second orifice sensiblement tout le fluide gazeux de l'écoulement diphasique å traiteur, et en ce qu'un mélangeur est interposé entre ce premier orifice et orifice d'admission du premier organe de pompage et reçoit du gaz provenant du second orifice du séparateur, ce mélangeur étant adapté à produire un fluide diphasique dont le rapport volumétrique a une valeur au plus egale à la valeur limite.