Brevet FR2424472A1 — publié le 19791123

La présente invention concerne une méthode et un dispositif pour transporter simultanément dans un même conduit les constituants d'un fluide diphasique. Une des applications de l'invention, à laquelle on se réfère cidessous à titre non limitatif, est la récuperation de tous les effluents pétro- liers liquides et gazeux produits par un champ de production. Les effluents pétroliers délivrés par un champ de prodution 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 du rapport volumétrique de gaz par rapport au liquide, 11 augmentation de pression du mélange gaz-liquide ne peut être 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. Le gaz qui subit un traitement sépare est : - soit brûlé dans des torchères sans récupération d'énergie, ou quelquefois utilisé pour produire une partie de l'énergie nécessaire 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 liquefié ou acheminé par conduite séparée, car cela nécessite des investissements très coûteux 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 petroliers délivrés par un champ de production et l'acheminement des deux phases dans un seul et même conduit. L'invention pourra etre bien comprise et tous ses avantages apparat- tront à la lecture du texte descriptif qui suit et qui est illustre par les figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement l1 ensemble de l'appareillage met tant en oeuvre la méthode selon l'invention, - les figures 2 à 5 illustrant un exemple de réalisation de l'organe sapa raseur gaz-liquide, - la figure 6 montre un mode de réalisation d'un organe adapté à augmenter la pression du gaz, et - la figure 7 indique une réalisation possible de l'organe mélangeur. Sur la figure 1, la référence 1 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 d'un type existant actuellement. Le but recherche par l'invention est de réaliser la dissolution de la quasi totalité du gaz libre dans le liquide de façon à n1 obtenir qu'un fluide liquide qui peut être traité par les organes de pompage existant actuellement pour circuler dans une canalisation. Comme le montre la figure 1, ce but est atteint en introduisant l'affluant diphasique dans un organe 2 de séparation des phases liquide et gazeuse. De préférence, cet organe 2 effectue la séparation sans diminution importante de la pression, mais il est également possible d'utiliser des dispositifs qui assurent cette séparation en diminuant la pression de l'effluent diphasique jusqu'à la pression atmosphérique. L'organe 2 délivre dans une canalisation 3 au moins la fraction liquide de lteffluent pétrolier qui éventuellement est transmise à un réservoirtampon 4. Ce dernier communique par une canalisation 5 avec l'orifice d'admission d'un organe de pompage 6 qui augmente la pression du fluide qui le traverse et délivre un fluide liquide sous-saturé en gaz dissous. L'organe 2 délivre également dans une canalisation 7 tout ou partie du gaz libre de lteffluent pétrolier dont la pression est augmentée dans un organe approprie 8 jusqu'à une valeur voisine de celle du liquide délivr par l'organe de pompage 6. Les orifices d'évacuation des organes 6 et 8 communiquent respectivement par les canalisations 9 et 10 avec des orifices dtadmission d'un élément Il adapté à mélanger, à pression sensiblement égale, le liquide délivré par la pompe 6 et une fraction du gaz produit par organe 6. Cette fraction de gaz est telle que le fluide sortant du mélangeur 11 est un liquide saturé de gaz. Ce nouveau liquide est transmis par une canalisation 5a à un nouvel organe de pompage 6a qui augmente la pression et provoque la sous-saturation du liquide-auquel est mélangé dans un nouvel élément 11a une fraction au moins du gaz libre restant, transmis par la canalisation 7a à un nouvel organe adapté à augmenter la pression du gaz jusqu'a une valeur voisina de celle du liquide délivré par la pompe 6a. Ainsi, par augmenàtion'progressive de la pression du liquide provoquant une sous-saturation on peut obtenir la dissolution progressive dans le liquide de la totalité du gaz libre composant l'affluant diphasique à traiter. On obtient ainsi un fluide totalement liquide que l'on fait circuler dans la canalisation prévue à cet effet, puis la phase gazeuse peut être séparée du liquide par diminution de la pression du fluide jusqu'à la pression atmosphérique. Bien entendu, on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en utilisant un organe separateur 2 qui délivre dans la canalisation 3 un fluide diphasique dont le rapport volumétrique gaz/liquide a une valeur au plus égale à la valeur limite du fluide diphasique que peut admettre l'organe de pompage 6. De la même façon l'élément'11 peut délivrer un fluide diphasique dont le rapport volumétrique n'excède pas une valeur-limite fonction de la pompe 6a utilisée. Comme on l'a indiqué plus haut, le séparateur 2 peut être de tout type connu assurant par exemple la séparation des phases liquide et gazeuse de ltef- fluent à traiter en diminuant la pression de cet effluent jusqulà une valeur voisine de la pression atmosphérique. Toutefois, il est préférable d'utiliser un séparateur du type illustré, à titre d'exemple, par les figures 2 à 5. Ce séparateur se composa 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 Y, l'angle d'inclinaison des pales 45 par rapport à l'axe de rotation du rotor 43 est déterminé en fonction de la vitesse axiale de ltécoulement 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 ltécoulement 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 ltécoulement. Dans ces conditions et comme on peut le voir sur la figure 7, lrélé- 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. Les organes de pompage tels que 6, 6a ... peuvent être de tout type connu. De préférence, lorsqu'ils reçoivent un fluide diphasique, ils seront du type hélico-axial décrit dans la demande de brevet français 2 333 139 qui sont capables d'admettre des fluides diphasiques de rapport volumétrique gaz/liquide supérieur à ceux des fluides admissibles par les autres appareils de pompage existant actuellement. Les organes tels que 8, Ba, 8b ... adaptés à augmenter la pression du gaz pourraient être de tout type connu, par exemple des compresseurs ou encore être constitués par les dispositifs décrits dans la demande de brevet français nO E.N. 78/04 331. Sommairement, comme le montre la figure 6, ltorgane 8 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 separateur 2, ce liquide auxiliaire etant 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. 78/04 331, délivre un fluide diphasique transmis à un organe de pompage approprié 15, par exemple du type hélico-axial indiqué plus haut. Un separateur 39, du même type que le séparateur 2, permet la récupération du liquide auxiliaire qui peut être réintroduit dans le me-lan- geur 13 par la canalisation 39a. L'organe mélangeur 1t, lia ... peut être de tout type connu. Un mode non limitatif de réalisation de cet organe mélangeur est illustré par la figure 7. Cet organe mélangeur comporte une canalisation 16 et une canalisation 17 reliant respectivement les canalisation 9 et 10 à la canalisation Sa. 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 eventuellement une pompe 20 assurant la circulation du liquide dans cette canalisation. En série avec la canalisation IY sont placés un organe 21 de mesure du volume (ou du débit) de gaz circulant dans la canalisation 17, un organe 22 creant 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 ltécoulement gazeux et dont le fond communique avec une canalisation de purge 24 pourvue dtun organe 25 d'obturation totale ou partielle et éventuellement 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 4 la canalisation 24 relie le réservoir 23 au réservoir de liquide 4. Le mélangeur il 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 5a, 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 19m et 22m. Ces organes de motorisation sont actionnés par un élément de commande 31 auquel elle sont reliées par des lignes de transmission 32 et 33 respectivement, ce circuit de commande agissant en fonction du signal délivré par l'organe 28 et transmis par la ligne 34. Le mélangeur Il comprend également un organe 27 créant une perte de charge réglable dans ltécoulement de gaz qui circule dans la canalisation 7e et l'organe 8a 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 3Y et 38. Pendant le fonctionnement le liquide et le gaz penètrent dans l'organe mélangeur 11 avec une pression sensiblement égale PE et le fluide diphasique est délivré à la canalisation Sa sous une pression P5 qui est en général légèrement inférieure à PE. 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 Sa. En fonction de ce signal ltélément de commande 31 actionne les organes de motorisation 19m et 22m qui modifient ltétat des organes créant des pertes de charge 19 et 22 de sorte que la différence des pressions mesurées par l'organe 28 diminue jusqutà s'annuler. Simultanément, les débits (ou volumes) de gaz et de liquide circulant dans les canalisations 1 6 et 17 sont mesurés par les organes 18 et 21 respectivement qui délivrent des signaux représentatifs de ces débits, transmis à I1 organe de commande 35. Ce dernier élabore un signal de contrôle de organe de motorisation 27m qui agit sur 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 l'on désire obtenir dans la canalisation Sa. Ainsi, lorsque le rapport des signaux produits par les organes 21 et 18 est supérieur à une valeur predéterminée correspondant à la valeur du rapport des volumes gaz/liquide du fluide diphasique que l'on désire obtenir dans la canalisation Sa, l'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 7a 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, organe de commande 35 pro voque l'augmentation de la valeur de la perte de charge en 27 > ce qui diminue le débit de liquide dans la canalisation 7a et corrélativement accroît le déhit de gaz dans la canalisation 17. Autrement dit, organe mélangeur il 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 du rapport volumétrique gaz-liquide. Les organes de mesure 18 et 21 qui sont, par exemple1 constitués par des débitmètres, les organes créant des pertes de charge l9, 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 1 Y permet de récupérer par gravité la fraction de liquide qui pourrait etre contenue dans ltécoulement gazeux. REVENDICATIONS 1. - Méthode pour transporter simultanément dans un meme conduit les constituants liquide et gazeux dTun écoulement diphasique, cette méthode comportant la production séparée d'un premier fluide comprenant au moins le liquide de l'écoulement diphasique et un second fluide comprenant une partie au moins du gaz de l'écou- lement diphasique, l'augmentation de la pression de chacun des deux fluides jusqu'à une première valeur1 puis la production d'un premier fluide résultant, par mélange à pression sensiblement égale d'une fraction du second fluide et du premier fluide, caracrérisée en ce qu'on effectue au moins une fois ltensemble des opérations suivantes - augmentation de la pression du premier fluide de ladite première valeur à une seconde valeur1 - augmentation simultanée de la pression de la fraction restante du second fluide de ladite première à ladite seconde valeur, - production d'un second fluide résultant1 par mélange du premier fluide avec une nouvelle fraction du second fluide à une pression sensiblement égale à ladite deuxième valeur. 2. - Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on produit le premier et le second fluides sans diminution importante de la pression. 3. - Dispositif pour transporter simultanément dans un mOme conduit les constituants d'un écoulement diphasique, comportant en combinaison un séparateur pouvant délivrer simultanément par un premier orifice au moins la totalité du liquide composant l'écou- lement diphasique et par un second orifice une fraction au moins du gaz composant l'écoulement diphasique, un premier organe adapté à élever la pression du gaz et dont l'orifice d'admission communique arec le second orifice du séparateur, un second organe adapté à augmenter la pression du fluide qui le traverse et dont l'orifice d'admission communique avec le premier orifice du sépa rateur et un premier mélangeur dont les orifices d'admission re çoivent le gaz et le fluide produits par le premier et le second organes, ce mélangeur étant adapté à mélanger à pression sensiblement constante une fraction au moins du gaz au fluide produit par ledit second organe, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un ensemble comportant un troisième organe adapté à augmenter la pression du fluide délivré par le premier mélangeur, l'orifice d'admission de ce troisième organe étant relié à l'orifice d'évacuation du premier mélangeur, un quatrième organe adapté à augmenter la pression de la fraction restante de gaz, l'orifice d'admission de ce quatrième organe communiquant directement avec l'orifice d'évacuation du premier organe, et un second mélangeur dont les orifices d'admission communiquent avec les orifices d'évacuation des troisième et quatrième organes, ce second mélangeur étant adapté à mélanger à pression sensiblement constante une fraction au moins du gaz au fluide produit par ledit troisième organe. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les mélangeurs produisent des fluides totalement à l'état liquide.