Brevet FR2596290A1 — publié le 19871002

DISPOSITIF POUR LE MELANGE D'UN MATERIAU PULVERULT. ET D'UN LIQUIDE, OU LIQUIDE-LIQUIDE L'invention concerne un dispositif pour le mélanc:e d'un matériau pulvérulent et d'un liquide, notamment le mélange de 5 poudre de ciment et d'eau. Une application plus particulièrement visée concerne la cimentation des puits pétroliers, de gaz, géothermiques ou autres. De tels dispositifs sont connus depuis fort loegtems$, par exemple par le brevet US-A-1486883 datant dz 19Z2. Le souci d'arméliorer la qualité du mélange et la perfe't.t de sa réalisation a conduit à de nombreuses pablications, dont la plus notable est certainement le brevet US-A-4453829. Ce document enseigne un mélangeur associant dans un même carter deux rotors accolés: un rotor supérieur projette Vers sa 15 périphérie le matériau granulaire qu'il reçoit en Sen erntre par simnple gravité d'une ouverture centralç $SupreuTere u carter, un rotor inférieur aspire en son centre un Flute diboucnant drune ouverture centrale inférieure du,roto et I o refoude par centrifugation vers sa périphérie. Le nianane tntre le atériau 20 grar:ulalre et le fluide s'opère dans la zone p6riphéricue mitoyenne des deux rotors et est évacué du carter pat une sortie adequate. , Le mélangeur ainsi décrit donne parfaitement satisfaction lorsque le matériau granulaire est du sable et le fluide un gel. Mais on s'est aperçu que le fonctionneener4: de ce mélangeur 25 est moins satisfaisant lorsqu'il s'agit de mélanger un matériaua pulvérulent de granulométrie très fine. tel cue du ciment, à de 1 'eau. D'une part, les poudres fines enti -nent avec elles une quantité non négligeable d'air qui se libère dans la zone périphérique de mélange du mélangeur. Cet- air ne peut pas être centiifugé par le rotor supérieur et ne peut donc s'évacuer du carter par la sortie du mélange. Il s'acc":mile dans cette zone et finit par empêcher le fonctionnement normal du mé.lane=u. D'autre part, si des matér.aux 4 'Is q-':. le sable s'accomodent bien d'une alimentation par simple gravité au niveau 2 2596290 du rotor supérieur, il n'en est pas de même des poudres fines dont la légèreté les rend très sensibles aux perturbations de pression dans cette zone. Par ailleurs, l'appareil connu ne permet pas un réglage 5 aisé de la densité du mélange obtenu. Or on sait que pour réussir la cimentation d'un puits pétrolier, il est nécessaire de régler précisément et facilement la densité du ciment utilisé. L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de mélange comportant un mélangeur du type déc.rit ci10 dessus,mais fontionnant de manière extrêmement satisfaisante même avec les poudres fines. L'invention vise en particulier à proposer un dispositif de mélange particulièrement bien adapté aux poudres de ciment et, selon un mode de réalisation préféré, dans lequel le réglage de la 15 densité s'effectue très simplement et cependant avec une grande précision. L'invention atteint son but en proposant un mélangeur centrifuge" comportant un carter dans lequel se trouve un rotor animé d'une grande vitesse et dans lequel débouchent un conduit 20 d'amenée du fluide, un système d'introduction de matière pulvérulente (ou de second liquide) et un conduit de sortie du mélange sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, mélangeur dans lequel le système d'introduction de matière pulvérulente comporte une pompe à jet alimentée en fluide 25 d'entrainement par une conduite de recirculation du mélange. Avantageusement, le mélangeur comporte au niveau de la zone de mélange des moyens d'échappement d'air et un second rotor, solidaire du premier, pour la pressurisation du fluide par centrifugation. Cette disposition est remarquable en plusieurs points. D'abord, la pompe à jet est alimentée en fluide d'entraînement par recirculation interne au moyen d'une conduite piquée sur une zone de pression du mélangeur et n'intervient donc pas dans le bilan matière de l'ensemble. De la sorte, il est 35 possible de régler la densité du mélange par Je seul réglage du 3 2596290 débit de matière pulvérulente (au moyen de la vanne commandant l 'ouverture de la trémie d'alimentation en poudre). Par zone de pression du mélangeur, au niveau de laquelle on pique la conduite de recirculation, on entend selon l'invention 5 soit la zone de mélange sous pression, soit une zone plus riche en fluide sous pression, non entièrement mélangé. Une telle zone existe notamment si une plaque solidaire des rotors sépare partiellement les zones périphériques attenantes à ceux-ci. Cette séparation, non indispensable, empêche que le mélange traversant la 10 pompe à jet soit plus dense que le mélange obtenu en périphérie du rotor de projection. En revanche, la plaque séparatrice abaisse légèrement le rendement. Bien que la connaissance détaillée de certains phénomènes à l'intérieur du mélangeur soit difficile à obtenir, il semble qu'en 15 l'absence de la plaque de séparation, le mélangeur est si "parfait" que dans toute la zone périphérique du mélange, basse ou haute, le mélange a une densité constante (et donc celle du mélange de sortie). Ensuite, l'utilisation d'une pompe à jet est très commode 20 pour l'entraînement d'une poudre de ciment: le brevet US-A-1486883 le préconise déjà. Malheureusement, cette utilisation s'accompagne d'un accroissement considérable de l'air entraîné en même temps que la poudre. Aussi, l'art antérieur ne pouvait prévoir une telle pompe que suivie d'un bain de dégazage à partir duquel le mélange 25 était pompé. L'idée d'utiliser une pompe à jet dans le cadre d'un mélangeur du type de celui du brevet US-A-4453829, directement i.e. sans bain de dégazage préalable - paraissait donc inconcevable avant la présente invention, d'autant que les problèmes d'air accumulé se posaient déjà pour ledit mélangeur. L'invention a 30 surmonté ce préjugé défavorable grâce à la présence des moyens d'échappement d'air au niveau de' la zone de mélange. D'une manière générale tous les types de pompe à jet fluide conviennent à 1 'invention. On pourra se reporter par exemple au livre "Pump Handbook" édité en 1976 par Mc Graw-Hill Book Company, 35 U.S.A., dans sa section 4 concernant les pompes à jet 4 2 2596290 traditionnelles, i.e. celles o un jet central de fluide d'entraînement sous haute pression dirigé vers l'entrée d'une tuyère crée une zone de basse pression entraînant l'aspiration du matériau à entraîner. On comprendra également sous la dénomination 5 générale de pompes à jet les pompes à jet annulaire dans lesquelles le fluide d'entraînement est injecté sous forme de nappe conique (ou de jets discrets) entourant l'arrivée de matière pulvérulente. Alors que dans le cas d'une pompe à jet central, la pompe est installée généralement transversalement sous l'ouverture réglable 10 de la trémie de matériau pulvérulent, la disposition la plus favorable à l'utilisation d'une pompe à jet annulaire est celle o le réservoir surmonte directement l'ouverture centrale supérieure du mélangeur, en y débouchant par une chambre cylindrique verticale dont la paroi comporte une fente annulaire continue ou plusieurs 15 fentes discrètes destinées à produire la nappe ou les jets d'entraînement. Les avantages du système proposé, outre ceux déjà énoncés sont les suivants. Le système n'ajoute par rapport aux systèmes existants aucune autre pièce mobile que la vanne de réglage du 20 débit de poudre. L'entretien d'un tel système est facile, y compris son nettoyage, et sa fiabilité est excellente. Contrairement à ce qu'on aurait pu craindre, l'alimentation de la pompe à jet par un fluide de densité éventuellement variable (en fonction du mélange) ne perturbe pas le réglage du débit de 25 poudre. La qualité du mélange est excellente et ce fait est d'autant plus surprenant que le système de l'invention viole les règles établies couramment en matière de mélange de ciment selon lesquelles on doit procéder à un mélange à densité croissante 30 jusqu'à parvenir à la densité désirée. Au contraire selon l'invention, le ciment est mélangé au niveau de la pompe à jet dans des conditions de haute densité et ramené ensuite à une densité inférieure dans le mélangeur. Du fait que la pompe à jet est reliée directement à la zone 35 d'admission du mélangeur, zone de relativement faible pression, il 2596290 n'y a pas de risque de bouchage de la pompe à jet contrairement à certains agencements de l 'art antérieur dans lesquels celle-ci devait délivrer une pression suffisante pour élever le mélange entraîné, par exemple en haut d'un bain de dégazage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente en coupe un mélangeur conforme à 1 'invention. Pour éviter une multiplication inutile des figures on 10 a représenté sur la même figure deux modes de réalisation alternatifs: sur la moitié gauche de la figure sont représentés une première version du dispositif d'alimentation en poudre et une première version des moyens d'échappement d'air 15. sur la moitié droite de la figure sont respectivement représentés une deuxième version dudit dispositif et desdits moyens; - la figure 2 représente de manière schématique l'ensemble du dispositif de mélange conforme à l'invention. On a représenté 20 sur la même figure deux possibilités d'agencement de la conduite de recirculation alimentant la pompe à jet en fluide d'entraînement. Le mélangeur 1 comporte (fig. 1) à l'intérieur d'un carter 2 un rotor supérieur de projection 3 (en anglais "slinger") et un rotor inférieur de centrifugation 4 (en anglais "impeller"). Le carter 2 peut être constitué d'une coque inférieure et d'une eoque supérieure solidarisée par des moyens non représentés. Les rotors 3 et 4 sont montés à l'extrémité d'un arbre 5 entrainé en rotation par un moteur 6 supporté par des moyens 15 (fig. 2). La configuration du rotor de centrifugation 4 permet, en 30 rotation, de créer un vortex engendrant une zone de succion 7 au voisinage de l'orifice inférieur d'aspiration 8 o débouche une arrivée d'eau (ou plus généralement de fluide) 9. L'eau est aspirée au niveau de l'orifice 8 et rejetée sous pression vers la zone périphérique du rotor inférieur et d'une manière générale dans 35 toute la zone périphérique du mélangeur. La configuration du rotor de projection 3 est telle que la matière pulvérulente introduite, par la chambre 14, au niveau de l'orifice supérieur d'admission 10 est violemment projetée vers la périphérie du rotor supérieur 3, et d'une manière générale dans 5 toute la zone périphérique du mélangeur, o elle peut se mélanger intimement avec l'eau qui s'y trouve au cours d'un brassage énergique. Le mélange sous pression est évacué par la sortie 11, située dans la zone périphérique du mélangeur. Les deux rotors 3 et 4 sont reliés par des moyens de 10 fixation 12 et 13. Le mélangeur 1 est intégré à un circuit de mélange comportant (fig. 2): un réservoir 20 d'eau de mélange débouchant par 1' arrivée 9 à la partie inférieure du mélangeur 1, une trémie 21 d'alimentation en matière pulvérulente reliée à la chambre 14 15 débouchant à la partie supérieure du mélangeur 1, une pompe haute pression 22 vers laquelle est dirigé le mélange évacué par la sortie 11 et la conduite d'évacuation 28. La pompe 22 refoule le ciment liquide vers un puits à cimenter (par exemple). L'agencement ci-dessus est connu et décrit plus en détail 20 dans le brevet US-A-4453829, dont on incorpore ici l'enseignement par référence. Selon l'invention, l'alimentation en matière pulvérulente est une alimentation forcée au moyen d'une pompe à jet liquide 23 placée en aval d'une vanne 25 21, le liquide du jet recirculation 25 dans une (i.e. à la périphérie des peut se faire en 29 dans liquide recueilli est riche 30 solidaire du rotor 4, est indiqué plus haut, une indispensable. En alternati directement sur la sortie sorte que le fluide moteur 35 cimentlui-même. 24 commandant la décharge de la trémie étant prélevé via une conduite de zone de haute pression du mélangeur 1 rotors). Le piquage de la conduite 25 la zone inférieure du mélangeur (o le en eau si une plaque de séparation 35, prévue entre les rotors 3 et 4). Comme telle plaque n'est absolument pas ive, le piquage peut aussi se faire 11 ou la conduite d'évacuation 28 de de la pompe à jet est le mélange eau- La pompe à jet entraîne la poudre, dont le débit est commandé par la vanne 24 (une vanne à papillon ou à tiroir par exemple), dans la conduite 26 qui débouche tangentiellement dans la chambre 14. Celle-ci est ouverte à sa partie supérieure pour 5 l'admission de l'air, et par ailleurs elle s'adapte dans l'ouverture supérieure 10 du mélangeur en y laissant un passage d'air. La conduite 26 et la chambre 14 peuvent ne former qu'une seule et même pièce. Si la pompe à jet est une pompe annulaire, l'ensemble 23, 26 est alors remplacé par la fente annulaire 36 (ou 10 une pluralité de fentes réparties- circonférentiellement) directement prévue dans la chambre 14, laquelle est alors surmontée de la trémie avec son ouverture réglable. La trémie 21 est à écoulement pneumatique et/ou gravitaire. Compte tenu de ce que le fluide moteur de la pompe à jet 15 est un fluide de recirculation, le bilan matière de l'ensemble s'écrit tout simplement: débit eau entrant (8) + débit ciment entrant (10) = débit mélange sortant (11). Or, lors d'une opération de cimentation d'un puits 20 pétrolier ou analogue, le débit de ciment envoyé par la pompe 22 vers le puits en aval est constant et déterminé par le régime de la pompe. Le débit de mélange évacué en 11 est donc, ou peut donc, être facilement maintenu constant. Par conséquent, il résulte du bilan matière que le débit 25 d'eau entrant (8) est directement fonction du débit de poudre (10>, lequel est facilement commandé par la vanne 24. Il convient de noter qu'il est effectivement possible de commander le débit de ciment plut6t que celui de l'eau parce que l'introduction de ciment est forcée, tandis que celle de l'eau ne 30 l'est pas, et donc que le ciment a priorité sur l'eau. Un densitomètre 27 est placé sur la conduite de recirculation et/ou sur la conduite d'évacuation 28, notamment lorsque la conduite de recirculation est piquée sur cette conduite d'évacuation. Dans ce dernier cas, le piquage est en aval du 35 densitomètre et il est avantageux qu'une vanne 37 soit prévue sur 8 2596290 la conduite 28 en aval du piquage, de manière à pouvoir faire entièrement recirculer le mélange vers la pompe à jet 23, en début de processus, lorsque celui n'est pas assez riche en ciment. Ainsi qu'on l'a expliqué plus haut, une condition déterminante du bon fonctionnement de l'appareil est de permettre un échappement satisfaisant de l'air introduit en même temps que la poudre par la pompe à jet 23. A cet effet, il est prévu (figure 1, moitié droite) entre les rotors 3 et 4 un espace 30 d'échappement d'air communiquant 10 avec la zone centrale supérieure 32 du mélangeur par des canaux 31 traversant obliquement le rotor de projection 3. L'air peut s'échapper de la zone 32 par le passage laissé entre l'orifice 10 et la chambre 14. Les moyens de fixation 12 et 13 réalisent par exemple l'entretoisement de l'espace 30 d'échappement d'air. Dans une version alternative (légèrement plus complexe à réaliser), représentée sur la partie gauche de la figure 1, il n'est pas prévu d'espace d'échappement 30 entre les rotors, mais uniquement des canaux 33 traversant le rotor de projection 3 pour faire directement communiquer la zone périphérique de haute 20 pression 34 adjacente aux deux rotors, avec la zone centrale supérieure 32. Si une plaque 35 de séparation entre les rotors 3 et 4 est prévue, les moyens d'échappement font communiquer la partie supérieure de la zone périphérique du mélangeur avec la zone 32. On peut alors également prévoir quelques orifices dans les plaques 35 pour un échappement de l'air qui pourrait être entraîné sous ladite plaque. 9 2 2596290 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le mélange d'un fluide et d'un matériau pulvérulent, dans un mélangeur comportant un carter (2) dans lequel se trouve un rotor (3, 4) animé d'une grande vitesse et dans lequel 5 débouchent: un conduit d'amenée du fluide (9), un système d'introduction (21, 14) de la matière pulvérulente et un conduit de sortie (11) du mélange fluide/matière pulvérulente sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce que le système d'introduction (21, 14) de matière comporte une 10 pompe à jet (23) alimentée en fluide d'entratnement par une conduite de recirculation (25) du mélange. 2. Dispositif pour le mélange d'un fluide et d'un matériau pulvérulent, dans un mélangeur comportant un carter (2) dans lequel se trouve un rotor (3, 4) animé d'une grande vitesse et dans lequel 15 débouchent: un conduit d'amenée du fluide (9), un système d'introduction (21, 14) de la matière pulvérulente et un conduit de sortie (11) du mélange fluide/matière pulvérulente sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce que le système d'introduction (21, 14) de matière comporte une 20 pompe à jet (23) alimentée en fluide d'entraînement par une conduite de recirculation (25) du mélange, et en ce que des moyens d'échappements (30, 31, 33) de l'air entrainé dans le mélangeur sont prévus. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 25 ou 2, pour le mélange d'un matériau pulvérulent et d'un liquide du type comprenant: - un mélangeur (1) associant un rotor supérieur de projection (3) du matériau et un rotor inférieur de centrifugation (4) du liquide dans un carter (2) comportant un orifice central 30 supérieur d'admission du matériau (10), un orifice central inférieur d'admission du liquide (8) et une sortie périphérique du mélange (11), avec une zone de mélange (34) sous pression à la périphérie des rotors, une arrivée de liquide (9) reliée à l'orifice inférieur (8), un dispositif d'alimentation en matériau pulvérulent (21, 2596290 14) débouchant dans 1' orifice supérieur (10) et comportant un réservoir de matériau pulvérulent (21), caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (21, 14) comporte une pompe à jet (23), placée en aval d'une vanne (24) 5 commandant l'ouverture du réservoir et directement reliée (26, 14) à l'orifice supérieur (10) et en ce que des moyens d'échappement (30, 31, 33) de l'air entraîné dans la zone de mélange (34) sont prévus au niveau de la zone de mélange (34) du mélangeur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce 10 que la pompe à jet (23) est alimentée en fluide d'entraînement par une conduite de recirculation (25) piquée sur une zone de pression (29) du mélangeur (1). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la conduite (25) de recirculation est piquée sur la sortie (11, 15 28) du mélangeur (1). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une plaque (35) de séparation partielle est prévue entre les zones périphériques du rotor inférieur (4) et du rotor supérieur (3), et en ce que la conduite de recirculation (25) est piquée (29) 20 sur la zone périphérique du rotor inférieur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la pompe à jet (23) est une pompe à entraînement par jet central. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 25 6, caractérisé en ce que la pompe à jet (23) est une pompe à entraînement par jet annulaire. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le réservoir de matériau pulvérulent (21) est à écoulement gravitaire. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que les moyens d'échappement d'air comportent des canaux (30, 31. 33) traversant le rotor supérieur (3) et reliant la zone médiane de mélange (34) du mélangeur (1) à la zone centrale supérieure (32) du mélangeur, laquelle communique avec 35 l'atmosphère.