Brevet FR2471501A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne un dispositif de pomn- page de fluides diphasiques, c'est-à-dire de fluides qui, avant pompage et dans les conditions de pression et de tem- pérature considérées, sont constitués du mélange d'un liqui- de et d'un gaz non dissous dans le liquide, ce liquide pou- vant ou non être saturé de gaz. Le pompage d'un fluide diphasique, par exemple, mais non exclusivement, un effluent diphasique pétrolier composé d'un mélange d'huile et de gaz, pose des problèmes d'autant plus difficiles à résoudre que, dans les conditions thermodynamiques du fluide diphasique avant pompage, la va- leur du rapport volumétrique du gaz au liquide est plus grande. On rappelle que le rapport volumétrique de gaz et de liquide, qui sera dénommé par la suite en abrégé "rapport volumétrique", est défini comme le rapport du volume de fluide à l'état gazeux au volume de fluide à l'état liquide, la valeur de ce rapport dépendant des conditions thermody- namiques du fluide diphasique. Quelle que soit la conception des pompes utili- sées (pompes alternatives, pompes rotatives ou pompes à ef- fet de trompe), de bons résultats sont obtenus lorsque la valeur du rapport volumétrique est nulle, car le fluide se comporte alors comme un fluide monophasique liquide. Ces matériels sont encore utilisables lorsque leurs conditions de fonctionnement ne laissent pas apparaître de phénomènes susceptibles de permettre la vaporisation d'une partie im- portante du gaz dissous dans le liquide ou lorsque la valeur du rapport volumétrique à l'entrée de la pompe est au plus égale à 0,2. L'expérience montre qu'au delà de cette valeur, l'efficacité de ces appareils décroît très rapidement et ili, ne sont pratiquement plus utilisables. Pour améliorer le fonctionnement des appareils existants, on sépare la phase gazeuse de la phase liquide avant pompage et on traite chacune d'elles séparément dans des circuits distincts de pompage. La mise en oeuvre de cir- 5. cuits séparés n'est pas toujours possible et dé-toute façon, complique les opérations de pompage. C'est pourquoi on a essayé de développer des dis- positifs de pompage adaptés non seulement à augmenter l'é- nergie totale du fluide diphasique, mais pouvant produire un fluide diphasique dont le rapport volumétrique à la sor- tie du dispositif a une valeur inférieure à celle du fluide avant pompage. Un tel dispositif, qui est par exemple, décrit dans le brevet français n0 2 333 139, comporte essentielle- ment au moins un impulseur dont les aubages ont un profil déterminé. La présente invention concerne un dispositif de ce dernier type qui utilise des aubages particuliers permet- tant d'accroître l'efficacité du pompage de fluides diphasi- ques dont les rapports volumétriques sont supérieurs à 0,2. En particulier, le dispositif selon la présente invention permet de traiter des fluides diphasiques ayant un rapport volumétrique de valeur pouvant être égale ou supérieure à 1,2 avec un rendement qui peut être supérieur à 60 %. Tous les avantages du dispositif selon l'inven- tion, qui est de coneeption simple, robuste et économique- ment rentable, apparaîtront à la lecture de la description *qui suit, illustrée par les figures annexées parmi lesquel- les: - la figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale, un mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention pour le pompage, dans un puits, d'un effluent diphasique, la figure 2 montre un impulseur, vu en perspective, - la figure 3 est une vue développée de la trace résultant de l'intersection d'une pale avec une surface cylindri- que, - la figure 3A montre l'évolution de l'angle lé long de l'intrados et de l'extrados, les figures 4 et 5 représentent un redresséuret - la figure 6 montre un autre mode de réalisation d'une aube du redresseur. Dans ce qui suit, on désignera par "fluide" soit un liquide monophasique liquide dans lequel un gaz est to- talement dissous, soit un fluide diphasique comportant une phase liquide et une phase gazeuse. La figure 1 représente schématiquement et en coupe axiale un mode particulier, non limitatif, de réali- sation du dispositif selon l'invention prévu pour le pompa- ge d'un effluent diphasique pétrolier. Ce dispositif est conçu pour s'adapter au maté- riel de forage existant et pour être introduit au fond d'un puits pétrolier en production. Le dispositif de pompage comporte un carter creux 1 qui, dans cet exemple de réalisation, est cylindri- que pour être facilement introduit dans un puits. Le carter 1 est pourvu d'au moins un orifice 2 d'admission du fluide diphasique et d'un orifice d'évacuation 3 qui communique. avec le circuit d'écoulement du fluide pompé, ce circuit étant schématisé par une canalisation ou conduite 4 à 4 - IlA l'extrémité de laquelle le carter 1 est fixé par tout moyen approprié tel que le filetage représenté en 5. Dans l'exemple illustré par la figure 1, les orifices d'entrées 2 sont constitués par des lumières pra- tiquées dans la paroi du carter 1 et le dispositif de pom- page comporte au niveau de ces orifices un déflecteur 14 solidaire du carter-1 pour dévier le fluide après son entrée dans le carter et lui imprimer une vitesse ayant une direc- tion sensiblement axiale, c'est-à-dire parallèle à l'axe de la pompe. A l'intérieur du carter est placé un rotor com- portant un arbre 6 entraîné en rotation par des moyens mo- teurs 7, tels que, par exemple, mais non exclusivement, un moteur électrique dont les câbles d'alimentation en énergie n'ont pas été représentés et, éventuellement, un organe de transmission schématiséen 8 pour adapter la vitesse de rotation de l'arbre du moteur à la vitesse de rotation à laquelle doit être entraîné l'arbre 6. L'organe 8,qui pourra être de tout type connu et comporter des engrenages, ne sera pas décrit en détail, puis- que sa conception est à la portée du technicien. L'arbre 6 est maintenu en position par au moins deux paliers distincts 9 et 10. Le premier de ces paliers, situé du côté du moteur 7, comporte au moins une butée axiale, telle qu'une butée à billes, capable de supporter les efforts axiaux sup- portés par le dispositif de pompage et au moins un organe de centrage, tel qu'un roulement à billes, ou à rouleaux coniques ou cylindriques. Le palier 10 est rendu solidaire du carter 1 par des bras radiaux 11, les espaces entre ces bras radiaux per- mettant l'écoulement du fluide dans le sens indiqué par la flèche F. De préférence, un roulement à billes 12 est in- terposé entre l'arbre 6 et le palier 10. La bague intérieu- re de ce roulement est axialement solidaire de l'arbre 6, tandis que la bague extérieure peut se déplacer axialement par rapport au palier 10, pour permettre toute variation de la longueur de l'arbre 6, résultant par exemple d'une dilatation. Eventuellement, et selon la nature du fluide pompé, le roulement à billes 12 peut être un roulement étanche, mais il est possible d'utiliser un roulement à billes normal en prévoyant de part et d'autre du palier 10, des flasques qui assurent l'étanchéité du palier, ce der- nier étant au montage rempli d'une matière lubrifiante, telle que de la graisse. Le palier 9 comporte également un dispositif d'étanchéité 13 et communique avec un dispositif de lubri- fication 15 comportant, par exemple, un réservoir d'huile dont une fraction au moins de la paroi est déformable pour équilibrer la pression dé l'huile et la pression hydrosta- tique du lieu o est placé le dispositif de pompage. Eventuellement, et si cela s'avère nécessaire, une seconde réserve d'huile 16 est prévue pour la lubrifi- cation du moteur 7 et /ou de l'organe de transmission 8. L'ensemble des moyens moteurs est fixé dans le prolongement du carter 1, par exemple au moyen d'une bride de fixation 17a. Entre les orifices d'admission et d'évacuation du dispositif de pompage et à l'intérieur du carter 1, est placé au moins un élément ou étage adapté à augmenter l'é- nergie totale du fluide. Sur la figure 1, trois éléments référencés 17 à 19 sont visibles. Ce nombre n'est pas limi- tatif et dépend de l'augmentation de pression que l'on désire obtenir. Ces éléments qui seront décrits plus en détail ci-après, sont solidaires de l'arbre 6 sur lequel ils sont par exemple, emmanchés à force, l'écartement entre les éléments étant maintenu par des entretoises 20 à 33. De préférence, un redresseur tel que les redres- seurs 24 à 26, est placé à la sortie de chaque élément de mise en pression, ce redresseur étant solidaire du carter 1, par exemple, au moyen de vis de fixation 27 (symbolisés par des traits mixtes sur la figure). Pour la clarté de la figure, les jeux entre les entretoises et les redresseurs, les jeux entre les éléments de mise en pression et le carter et les jeux entre les élé- ments de mise en pression et les redresseurs ont été consi- dérablement augmentés, mais il faut comprendre que ces jeux sont réduits à leur valeur minimale compatible avec le fonctionnement mécanique de la pompe, de sorte que les fuites de fluide soient minimales et que, à la température de fonctionnement, les dilatations des diffétents composants du dispositif de pompage ne provoquent aucun coincement. - La figure 2 représente, vu en perspective, un exemple non limitatif de réalisation d'un élément ou étage impulseur comportant essentiellement un moyeu 28 solidaire de l'arbre 6 qui, pendant le fonctionnement du dispositif, est entraîné en rotation dans le sens indiqué par la flè- che r. Ce moyeu comporte au moins une pale dont les carac- téristiques sont indiquées plus loin. Deux pales 29 et 30 ont été représentées sur la figure 2, mais ce nombre n'est nullement limitatif. En général, on choisit un nombre de pales facilitant l'équilibrage statique et dynamique du rot tor. La hauteur des pales est telle que la forme qu'elles délimitent pendant leur rotation est complémentaire de l'alésage qui, dans l'exemple illustré, est cylindrique. Ces pales peuvent être rapportées et fixées par soudure au moyeu 28, mais il est préférable de réaliser l'ensemble moyeu et pales par moulage. La figure 3 représente le tracé développé de l'intersection d'une pale avec une surface cylindrique de rayon R. Comme on le voit sur cette figure, l'auteur de la présente invention a trouvé que pour atteindre les objectifs qu'il s'était fixés, le profil d'une pale doit évoluer de la façon suivante, en partant du bord d'attaque A vers le bord de fuite F: 1/ l'angle que fait l'ektrados E avec un plan de référence, perpendiculaire à l'axe de rotation du moyeu et passant par le bord d'attaque A est sensiblement constant et égal à une valeur a( sur une première portion AB couvrant une portion 41 du moyeu sur environ deux tiers de la longueur L de 1 i'rpulseur mesurée parallèlement à son axe de rotation tandis que sur la.partie restante BF, l'angle de l'extrados par rapport au plan de référence peut, soit rester constant et égal à la valeur à, soit croître ou décroître d'une façon continue à partir de la valeur a., d'une quantité A a au plus égale à 20 % de la valeur de l'angle a. 2/ l'angle que fait l'intrados avec le plan de référence a) décroît progressivement ou par paliers depuis une valeur maximale au bord d'attaque A jusqu'à une va- leur Y supérieure à la valeur a sur une première portion AC couvrant une fraction Q2 égale à environ un tiers de la longueur L du moyeu, cette valeur maximale étant au plus égale à 150 % de la valeur de l'angle y, b) est sensiblement constant et égal à la valeur y sur une deuxième portion CD prolongeant la première et 247 1501 couvrant une longueur représentant 30 à 40 % de la longueur L du moyeu, c) puis, croît de façon continue de la valeur'. y à une valeur maximale au plus égale au double de la va- leur de l'angle y sur une troisième portion DG couvrant une longueur Q4 représentant 10 à 20 % de la longueur L du moyeu, et enfin d) est tel sur la portion restante GF que les profils de l'intrados et de l'extrados se recoupent au point de fuite F, 3/ l'angle formé entre la première portion de l'extrados E et la seconde portion de l'intrados I a une valeur 6 com- prise entre 0 et 100 et, de préférence, voisine de 30, tandis que la bissectrice de cet angle forme avec le plan de référence un angle e défini par la relation tg S a wR V z dans laquelle w est la vitesse de rotation angulaire du moyeu exprimée en rd/s, R ( en m) est le rayon du cylin- dre sur lequel on considère la trace de la pale et Vz (en m/s) la composante de la vitesse sur l'axe de rota- tion ou vitesse axiale du fluide avant de pénétrer dans l'étage impulseur. Les courbes I et II de la figure 3A représentent respectivement l'évolution des angles de l'intrados et de l'extrados en fonction de la longueur du moyeu. Comme on peut le voir sur cette figure, l'angle de l'intrados peut varier de façon continue ou par pa- liers sur la première portion AC et sur la dernière por- tion GF. ------- De même, sur la dernière portion BF de l'extra- dos, l'angle peut décroître, être constant et égal à a, ou augmenter. En général, il est préférable d'entraîner le moyeu à une vitesse de rotation - telleque malgré les va- riations de vitesse axiale Vzdu fluide à l'entrée de l'étage z impulseur, la valeur du rapport w R varie peu. Vz La longueur L du moyeu est, de préférence, infé- rieure au rayon maximal Rm des pales, mesuré dans le plan l0' perpendiculaire à l'axe de rotation passant par le bord d'at- taque. Le diamètre du moyeu 28 peut être constant mais, de préférence, on utilisera un moyeu dont le diamètre est croissant dans le sens de l'écoulement du fluide comme le montre la figure 2 sur au moins 80 % de sa longueur. La variation du diamètre est choisie pour que la valeur de la section limitée entre deux pales dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation ait une valeur Se à l'entrée de l'impulseur, c'est-à-dire au niveau du bord d'attaque 1, et une valeur Ss à la sortie de l'impulseur, c'est-àdire au niveau du bord de fuite F, ces valeurs étant telles que le rapport Se/Ss soit au moins égal à 1 et, de préférence, compris entre 2 et 3. A la sortie d'un étage impulseur, le fluide est animé d'une vitesse ayant au moins une composante axiale et une composante circonférentielle. Comme il est bien connu des spécialistes, l'utilisation d'un redresseur permet d'aug- menter la pression statique en supprimant ou au moins en ré- duisant la composante circonférentielle de la vitesse d'é- coulement du fluide. Ce redresseur pourra être de tout type connu, avec des caractéristiques adaptées à celles de l'éta- ge impulseur, comme il est indiqué ci-dessous en se référant i.Q aux figures 4 et 5. La figure 4 montre, en coupe, un ensemble com- prenant un impulseur (représenté en trait mixte) et un re- dresseur représenté en trait continu. La figure 5 représente schématiquement la trace développée de l'intersection d'une ailette du redresseur avec une surface cylindrique de rayon R. Le redresseur est constitué d'un manchon 31 qui porte au moins deux ailettes 32. Une bague 33 fixée sur les ailettes 32 permet la solidarisation du redresseur et du carter 1 par exemple au moyen de vis schématisées en 27. Le diamètre extérieur du manchon 31 décroît pro- gressivement depuis l'entrée vers la sortie sur une première p o r t i o n MN représentant 30 % au m o i n s de la lon- gueur totale du redresseur mesurée parallèlement à l'axe et qui, elle, est égale à àu 'moins 30 % du diamètre moyen Dm des pales à l'entrée du redresseur. Ainsi, la section de passage du fluide augmente selon une loi du premier ou du second degré lorsqu'on considère le sens de l'écoulement - indiqué par les flèches. *Les ailettes 32 ont un profil approprié qui permet le redressement de l'écoulement du fluide. A l'en- trée du redresseur, ce profil est sensiblement tangent à l'écoulement tandis qu'à la fin de la première portion MN, le profil des ailettes est sensiblement tangent à un plan passant par l'axe du dispositif, l'angle d'inclinaison va- riant progressivement sur cette première portion. Dans le but de simplifier la fabrication du re- dresseur, on donne à la première portion MN des ailettes un rayon de courbure constant. i La portion restante NP de l'ailette est disposée axialement et sur cette partie, le moyeu est cylindrique. La section droite d'entrée d'un redresseur S - e est choisie supérieure à la section de sortie SS de l'étage impulseur précédant le redresseur de telle sorte que le rapport S'/S ait une valeur comprise entre 1 et 1,2 et, de e s préférence, entre 1,1 et 1,15, tandis que le rapport S /Se entre les sections droites entre la sortie et l'entrée du redresseur est supérieur à 1 et, de préférence, compris entre 2 et 3. Dans ce qui précède, on a représenté un faible jeu axial entre le bord de fuite des pales de l'impulseur et le bord d'attaque des ailettes du redresseur, mais il est possible de les écarter l'un de l'autre à une distance qui sera établie par le technicien lors des essais de mise au point en fonction des conditions d'utilisation du dispo- sitcif. Des modifications pourront être apportées- sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, et comme le montre la figure 6, l'extrados de cha- que ailette du redresseur pourra être obtenu par tusinage de portions de plans sécants. Un autre mode de réalisation de l'architecture de la pompe consiste à faire travailler l'arbre 6 en trac- tion, celui-ci étant maintenu en position à la partie supé- rieure par des butées hydrodynamiques et/ou hydrostatiques, tous les impulseurs étant bloqués sur cet arbre et maintenus en place par des entretoises de dimension appropriée et par blocage à la partie inférieure de l'arbre 6. De place en place, des paliers hydrodynamiques maintiendront l'arbre radialement (au niveau de certains redresseurs judicieusement choisis) de façon que le rotor ait une vitesse critique supérieure à la vitesse de rotation maximale de la pompe en fonctionnement. La lubrification de ces paliers est assurée par des conduits d'huile correcte- ment placés. Les pales du redresseur pourront être épaisses au sens hydrodynamique du terme. Dans tous les cas, le nombre d'ensembles im- pulseur-redresseur, pourra être choisi par le technicien en fonction de la valeur du rapport volumétrique du fluide à traiter. Le dispositif décrit ci-dessus a été conçu pour être utilisé dans un puits pétrolier, raison pour la- quelle le corps extérieur du dispositif est cylindrique. On ne sortirait toutefois pas du cadre de l'invention en utili- sant un corps extérieur conique et/ou des moyeux cylindriques ou coniques pourvu que les caractéristiques définies plus haut par l'inventeur soient respectées. -2471501 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Dispositif pour le pompage d'un fluide diphasique com- portant une phase liquide et une phase gazeuse non dissoute, ce dispositif comprenant au moins un carter creux ayant un orifice d'admission et un orifice d'évacuation du fluide, au moins un rotor pouvant tourner à l'intérieur de ce car- ter, ce rotor étant constitué d'un moyeu et d'au moins une pale solidaire de ce moyeu, cette pale ayant un bord d'at- taque situé du côté de l'orifice d'admission et un bord de fuite situé du côté de l'orifice d'évacuation, caractérisé en ce que la trace représentative de l'intersection dé l'ex- trados de la pale et d'une surface cylindrique concentrique au moyeu fait avec un plan de référence perpendiculaire à l'axe du rotor passant par le bord d'attaque un angle sen- siblement constant égal à une première valeur, sur une pre- mière portion couvrant sensiblement les deux tiers de la longueur du moyeu mesurée parallèlement à son axe et en ce que la trace représentative de l'intersection de l'intrados de la pale avec la surface cylindrique présente quatre por-- tions successives comprenant une première portion sur la- quelle l'angle que fait la trace de l'intrados avec le plan de référence décroît d'une deuxième valeur, à une troisiè- me valeur supérieure à ladite première valeur, ladite première portion couvrant environ un tiers de la longueur du moyeu, ladite seconde valeur étant au plus égale à 150 % de la troisième valeur, une seconde portion sur laquelle ledit angle est sensiblement constant et égal à ladite troisième valeur, ladite seconde portion couvrant 30 à 40 % de la longueur du moyeu, une troisième portion sur laquelle ledit angle croit de façon continue de ladite troisième valeur à une quatrième valeur au plus égale au double de la troi- sième valeur, ladite troisième portion couvrant 10 à 20 % de la longueur du moyeu, et une quatrième portion sur la- quelle le profil de la trace de l'intrados sur la surface cylindrique est tel que le tracé de l'intrados recoupe celui de l'extrados au bord de fuite, la différence entre lesdites première et troisième valeurs étant comprise entre 0 et 100 et, de préférence, voisine de 30, la moyenne arith- métique de ces deux valeurs représentant un angle dont la tangente trigonométrique est sensiblement égale à R, w Vz z représentant la vitesse angulaire du moyeu, R le rayon de la surface cylindrique et V la vitesse axiale du fluide au ni- veau du bord d'attaque de la pale. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur la seconde portion de l'extrados couvrant environ un tiers de la longueur du moyeu, ledit angle de l'extrados par rapport au plan de référence est constant et égal à la- dite première valeur. 3. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que sur la seconde portion de l'extrados couvrant environ - un tiers de la longueur du moyeu, ledit angle de l'extrados par rapport au plan de référence varie de façon continue d'une quantité au plus égale à 20 % de ladite première valeur. 4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur du moyeu mesurée parallèlement à son axe de rotation, est au plus égale au rayon maximal des pales me- suré dans le plan de référence. 5. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon du moyeu du rotor est croissant sur au moins % de sa longueur. 6. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport entre la section d'entrée délimitée dans le plan de référence entre deux pales consécutives et la section de sortie délimitée dans un plan perpendiculaire à l'axe du moyeu passant par le bord de fuite est au moins égal à 1 et, de préférence, compris entre 2 et 3. 7. - Dispositif selon la revendication 6, comportant en aval de la section de sortie en considérant le sens d'écoulement du fluide, un organe redresseur statique comportant des ai- lettes fixes adaptées à réduire la vitesse circonférentiel- le du fluide, ces ailettes ayant à une extrémité, consti- tuant le bord d'attaque, un profil sensiblement tangentiel à la vitesse d'écoulement du fluide et ayant à l'autre ex- trémité, constituant le bord de fuite, un profil sensible- ment tangent à une droite parallèle à l'axe, caractérisé en ce que le rapport de la section de passage du fluide mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe passant par le bord d'attaque des ailettes du redresseur et de la section de passage du fluide mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe, et passant par le bord de fuite des pales du rotor à une valeur comprise entre 1 et 1,2 et, de préférence, entre 1,1 et 1,15. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le rapport de la section de passage du fluide mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe et passant par le bord de fuite des ailettes du redresseur et de la section mesurée dans le plan passant par le bord d'attaque des ailettes du redresseur a une valeur supérieure à 1 et, de préférence, comprise entre 2 et 3. 9. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la section délimitée entre deux ailettes consécutives et mesurée dans un plan perpendiculaire à l'axe du dispo- sitif croit progressivement sur au moins un tiers de la longueur du redresseur en partant du bord d'attaque. 10. - Dispositif-selon la revendication 9, caractérisé en ce que la longueur du redresseur est au moins égale à 30 % du diamètre moyen des pales mesuré au bord d'attaque du redresseur.