Brevet FR2514104A1 — publié le 19830408

L'invention concerne la séparation et l'écoulement séparé ou guidé de gaz et de liquide au sein d'un système d'écoule- ment, par exemple par transport simultané de gaz et de liquide, tel que le pétrole, dans un oléoduc. Dans l'industrie chimique et aussi dans l'industrie du pétrole, on se trouve souvent devant des problèmes posés par les accumulations variables de gaz dans les systèmes de trans- port (systèmes de tuyaux) qui sont essentiellement calculés et conçus sur la base de critères hydrauliques. Dans l'industrie de la transformation, des accumulations de gaz peuvent se produire dans un système de transport de li- queur, en fonction des différentes tensions-de vapeur de dif- férents constituants dans un mélange liquide, ou par suite de réactions chimiques causant une formation intermittente ou continue de gaz pendant le transport du liquide Il est con- nu que de tels phénomènes se produisent mais il n'existe pas de règles de calcul des dimensions permettant de compenser les effets nuisibles qui peuvent se produire On a souvent des difficultés dues à une diminution notable de la capacité d'un système, à un écoulement pulsé du liquide c'est-à-dire à un écoulement en bouchon et à des défauts de fonctionnement des pompes, des instruments etc. Les problèmes sont particulièrement sérieux dans l'indus- trie du pétrole étant donné que l'on a très fréquemment un. écoulement variable de gaz et de pétrole dans l'extraction par une tête de puits. De façon général, les phénomènes désignés par l'expres- sion "écoulement en bouchon" se produisent lorsque les accu- mulations de gaz dans une liqueur pendant le transport dans un système de tuyauterie sont devenues si grandes qu'à la pression existante, il se produit-un système pneumatique inter- mittent sur une certaine extension du système de tuyauterie. Dans un système de tuyauterie horizontal et rectiligne, il se nroduira une perturbation relativement réduite de l'écoulement du liquide De plus grandes perturbations se produisent lors de changements de direction, en particulier dans le plan ver- tical, lorsqu'il se forme des bouchons de gaz qui interrompent totalement ou partiellement l'écoulement de la liqueur Quand une accumulation de gaz est libérée dans un appareil de trai- tement, cuve etc, souvent en corrélation avec une réduction simultanée de la pression, il se produit une expansion du gaz qui comporte des accélérations et ralentissements indésirables au sein du liquide, fréquemment avec application de contraintes mécaniques notables au système de tuyauterie. On comprendra que les inconvénients ci-dessus pourraient être évités si l'on pouvait assurer la séparation du gaz et du liquide dans un tel système d'écoulement et un écoulement guidé ou forcé de l'un des deux milieux dans des directions définies au sein du système d'écoulement. Ainsi, le but de l'invention est de fournir un procédé et un appareil qui assurent la séparation et l'écoulement guidé d'un mélange gaz/liquide, avec un écoulement en deux ou plusieurs phases, au sein d'un même système d'écoulement, en ce sens que l'on établit au sein du système des configurations pneumatiques et hydrauliques d'écoulement pratiquement sépa- rées. Pour atteindre le but ci-dessus, on prévoit un procédé de séparation et d'écoulement séparé de gaz et de liquide dans un système d'écoulement, par exemple un système de tuyauterie, dans lequel s'écoule un liquide ou un mélange de liqui- de contenant du gaz ou dégageant du gaz en fonction du temps et/ou de la pression variable, procédé caractérisé par le fait qu'on laisse le gaz se séparer de façon continue de la phase liquide et ainsi, établir et maintenir un système pneumatique qui est en équilibre de pression avec le système hydraulique, par le fait que l'on sépare les phases essentiellementau noibre de deux à l'aide d'au moins une couche de blocage perméable, par exemple de matière textile, qui est disposée de telle sor- te, sur la longueur du système d'écoulement, que le milieu le plus lourd sera à tous moments situé sur le côté de la con- figuration de couche de blocage qui est conditionné par des forces de gravité, en même temps que la couche, ou une confi- guration de couches, permet une variation de la section acti- ve disponible pour les phases essentiellement au nombre de deux sur la longueur du sytème d'écoulement, de manière à com- penser les variations de quantité entre les phases. Un appareil pour la mise en oeuvre du procédé indiqué est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une-couche de blocage qui est perméable transversalement à la direction d' écoulement et qui est disposée dans la direction longitudinale du système d'écoulement de sorte que le gaz à lapossibilité de se séparer de façon continue de la phase liquide par mou- vement à travers la couche de blocage, la couche de blocage ou une configuration de couches de blocage étant disposée de telle sorte, sur la longueur du système d'écoulement, que le milieu le plus lourd est à tous moments situés sur le côté de- la couche de blocage ou configuration de couche de blocage qui est conditionné par des forces de gravité, et la configuration de couche permettant une variation de la section disponible pour les diverses phases sur la longueur du système d'écoule- ment. Dans l'invention, on utilise une matière perméable comme couche de blocage pour séparer le gaz du liquide et pour main- tenir ces milieux séparés, au sein de systèmes dans lesquels il règne pratiquement les mêmes pressions statiques totales dans les deux milieux au même point du système La façon dont, les pressions sont engendrées est sans importance à ce point de vue Le mouvement des milieux peut aller d'un mouvement ver- tical à un mouvement horizontal étant donné que la nécessité d'une résistance de frottement dans la couche de blocage va- rie avec l'angle de la couche de blocage et de façon corres- pondante avec l'angle d'écoulement du ou des milieux relative- ment au plan horizontal Une couche de blocage horizontale né- cessitera une grande résistance spécifique de frottement, c' est-à-dire une faible perméabilité Une couche de blocage ver- ticale nécessitera une faible résistance spécifique, c'est-à- dire une grande perméabilité Entre les limites extrêmes qui sont les directions pratiquement horizontale et pratiquement verticale, la résistance de frottement nécessaire varie de façon correspondante. On décrira l'invention ci-après à propos des dessins an- nexés qui sont des croquis d'illustration servant à expliquer les principes de l'invention et des exemples d'exécution d'ap- pareils selon l'invention et sur lesquels les figures la à lc montrent différentes conditions fon- damentales en ce qui concerne une couche de blocage perméable entre un système pneumatique et un système hydraulique; les figures 2 a à 2 c montrent un appareil selon l'inven- tion représenté par une conduite constituant un système fonda- mental d'écoulement divisé avec séparation et guidage d'un mé- lange gaz-pétrole et les figures 3 a et 3 b montrent un autre exemple d'un tube pour écoulement en deux phases dans lequel la matière p 3 erméable est fixée à l'intérieur du tube en une configura- tion en nid d'abeilles. Des bulles dispersées dans un liquide dans un système d' écoulement fermé constituent une partie du système hydraulique mais sont encore des unités pneumatiques indépendantes Toute- fois, si l'on pouvait rassembler nlusieurs bulles en unités plus grosses, on pourrait arriver à créer des systèmes d'écou- lement pneumatiques qui, complètement ou partiellement entou- rés de liquide, fonctionneraient avec les pressions statiques du liquide comme force motrice. Pour y parvenir, il faut transférer au gaz une pression hydraulique en même temps que l'on permet aux deux milieux de former des systèmes d'écoulement séparés au sein desquels s'imposent des conditions d'écoulement connues, respectivement pneumatiques et hydrauliques En général, on peut dire que ces conditions sont uniformes pour des systèmes de gaz et de liquide Toutefois, il est reconnu que la densité et la vis- cosité d'un milieu influencent la chute de pression au sein des systèmes respectifs et ainsi, causent par exemple des vi- tesses de transport différentes de ces milieux à la même pres- sion absolue. La figure la montre une matière perméable homogène en tant que couche de blocage 1 entre un système pneumatique 2 et un système hydraulique 3, formé d'un liquide défini ou d'un mélange de liquides Tant qu'il n'y a pas, entre les milieux, de pression différentielle qui excède la résistance hydropneu- matique de frottement, Fhp (constituée entre autres par des forces capillaires et des tensions superficielles) dans la couche de blocage 1, cela empêche les configurations d'écou- lement des systèmes de s'influencer mutuellement. Si, comme le montre la figure lb, on obtenait une accumu- lation de gaz 4 sur le côté liqueur ou liquide 3 de la couche de blocage 1, il apparaîtrait, entre le système pneumatique 2 et l'accumulation de gaz 4, une pression différentielle cons- tituée par la hauteur H de l'accumulation de gaz Cette pres- sion différentielle pneumatique aurait pour effet que l'accu- mulation de gaz émigrerait à travers la couche de blocage 1 et deviendrait une partie du système pneumatique lorsque H > Fhp De façon correspondante, une accumulation de liquide 5 au dessus de la couche de blocage l, comme l'indique la figure lc, provoquera une pression hydraulique supplémentaire, corres- pondant en principe à la hauteur h de l'accumulation de liqui- de La pression différentielle aura pour effet que le liquide émigrera à travers la matière 1 jusqu'à ce que l'équilibre hydropneuinatique soit rétabli Cela se produira à condition que les vitesses dans le système pneumatique ne causent pas d'entraînement du liquide ni de désagragation de celui-ci en particules pouvant être trnasportées pneumatiquement Toute- fois, cela se produira même avec des vitesses modérées de sor- te qu'une configuration de transport pneumatique apparaltra dans une couche limite humide. Les conditions ci-dessus forment la base du procédé pré- vu par l'invention pour la commande d'un écoulement en plu- sieurs phases, ce qui veut dire généralement l'écoulement d'un gaz, d'un mélange gaz/liquide et d'un liquide ou d'un mélange de liquide (régimes composites) au sein d'un même système ou appareil, par exemple d'un oléoduc. Ci-après, on décrira des appareils pour la mise en oeuvre duprocédé selon l'invention. Un appareil pour la séparation et l'écoulement séparé d'un mélange gaz/pétrole, écoulement en deux phases au sein d'un même système, est représenté schématiquement et dans son prin- cique su; les figures 2 a à 2 c Les figures montrent, en coupes longitudinale et transversale, un tronçon d'un oléoduc 6 dans lequel une couche de blocage perméable 7 sépare une quantité de gaz 8 et une quantité de pétrole 9 s'écoulant dans le sens indiqué par les flèches La figure 2 b montre comment des ac- cumulations de gaz 10 et ll montent en direction de la couche de blocage 7 sous l'influence des forces de gravité en action et émigrent à travers cette couche, la couche de blocage ayant des dimensions et une disposition conformées aux principes O 4 I 04 susdits. Dans le cas d'un système de tuyauterie qui change de di- rection, la couche de blocage ou une configuration de couches doit être disposée et orientée de façon telle que le milieu le plus lourd soit à tous moments situés du côté de la couche de blocage qui est conditionné par des forces de gravité, par exemple en ce sens que l'on donne à la couche de blocage ou configuration de couche une forme hélicoïdale dans un coude de conduite à 1800 dans le plan vertical. L'exemple selon les figures 2 a à 2 c montre une seule cou- che de blocage perméable mais en pratique, on peut envisager plusieurs couches ayant différentes perméabilités selon les propriétés de viscosité de la phase liquide qui influencent les conditions de frottement hydropneumatiques-à travers les couches La couche de blocage 7 est représentée au centre du tube 6 mais on peut très bien envisager d'autres positions et configurations, selon les quantités des différentes phases qui sont présupposées être transportées. Dans l'industrie du pétrole, on opère avec des nombres GOR (rapport gaz/pétrole) qui peuvent varier considérablement, par exemple 1/50, 1/300, 1/1000 etc Les conditions de fonc- tionnement sont qu'un équilibre de pression règne entre les deux phases en tout point du système d'écoulement et que la couche de blocage et la chutede pression à la traversée de la couche soient calculées de façon telle que la différence de vitesse entre les deux milieux ne cause par un retour de gaz à la phase liquide à travers la matière Par conséquent, la structure et/ou la configuration de la couche de blocage doi- vent être telles que l'on n'obtienne pratiquement la flexibi- lité que transversalement à la direction de mouvement, de sorte que l'on peut faire varier automatiquement la section dispo- nible pour les deux phases', entre des limites données. Les figures 3 a et 3 b montrent un exemple d'exécution supplémentaire d'un tube 12 destiné à un écoulement en deux phases et à l'intérieur duquel la matière perméable 13 est fi- xée en une configuration en nid d'abeilles Sur la coupe re- présentée du tube, la disposition est indiquée très schémati- quement Outre qu'elle a des propriétés optimales de résis- tance mécanique, cette configuration a pour effet que les régimes d'écoulement qui pourraient se produire entre les systèmes entièrement hydraulique et entièrement pneumatique apparaissent dans les canaux formant la zone limite entre ces systèmes Ainsi, à ce point de vue, on peut parler d'un sys- tème à plusieurs phases qui est en équilibre de pression. Sur des parcours horizontaux, le mélange de liquide transporté se trouve dans la partie inférieure du tube 12 Lors de chan- gements de direction dans le plan horizontal, la phase liquide 14 doit se déplacer à travers les couches et être située à la périphérie du tube 12 en faisant avec la verticale un angle qui est déterminé par les forces de gravité et les forces cen- trifuges qui se présentent. Lors d'un passage de la direction horizontale à la direc- tion verticale, on obtient aussi une distribution du liquide à la périphérie du tube 12, hors dela partie centrale de la configuration en nid d'abeilles, ce qui transporte verticale- ment la phase gazeuse. z 514 -fo 4 REVENDICATIONS 1 Procédé de séparation et d'écoulement séparé de gaz et de liquide dans un système d'écoulement, par exemple un sys- tème de tuyauterie, dans lequel s'écoule un liquide ou un mé- lange de liquide contenant du gaz ou dégageant du gaz en fonction du temps et/ou de la pression variable, procédé ca- ractérisé par le fait qu'on laisse le gaz se séparer de façon continue de la phase liquide et ainsi, établir et maintenir un système pneumatique qui est en équilibre de pression avec le système hydraulique, par le fait'que l'on sépare les phases essentiellement au nombre de deux à l'aide d'au moins une cou- che de blocage perméable, par exemplede matière textile, qui est disposée de telle sorte, sur la longueur du système d'é- coulement, que le milieu le plus lourd sera à tous moments situé sur le côté de la configuration de couche de blocage qui est conditionné par des forces de gravité, en même temps que la couche, ou une configuration de couches, permet une variation de la section active disponible pour les phases es- sentiellement au nombre de deux sur la longueur du système d' écoulement, de manière à compenser les variations de quantité. entre les phases. 2 Appareil poirla séparation et l'écoulement séparé de gaz et de liquide dans un système d'écoulement, par exemple un système de tuyauterie, dans lequel s'écoule un liquide ou un mélange de liquide contenant du gaz ou dégageant du gaz en, fonction du temps et/ou de la pression variable, appareil ca- ractérisé par le fait qu'l comprend au moins une couche de blocage ( 7) qui est perméable transversalement à la direction d'écoulement et qui est disposée dans la direction longitudi- nale du système d'écoulement de sorte que le-gaz ( 11,12) a la possibilité de se séparer de façon continue de la phase liqui- de ( 9) par mouvement à travers la couche de blocage ( 7), la couche de blocage ou une configuration de couches de blocage étant disposée de telle sorte, sur la longueur du système d' écoulement, que le milieu le plus lourd ( 9) est à tous moments situés sur le côté de la couche de blocage ou configuration de couche de blocage qui est conditionné par des forces de gravité et la configuration de couche permettant une variation de la section disponible pour les diverses phases ( 11,12) sur-la lon- gueur du système d'écoulement. 3 Appareil selon la revendication 2, dans lequel le sys- tème de tuyauterie est une conduite ( 12), caractérisé par le fait que la couche de blocage ( 13) est fixée dans la conduite ( 12) avec une configuration en nid d'abeilles.