Brevet FR2610105A1 — publié le 19880729

Procédé et séparateur-compteur diphasique pour mesurer, en continu et respectivement, les quantités de gaz et de liquide débitées dans un écoulement dynamique d'un mélange de gaz et de liquide. La présente invention concerne l'industrie des instruments de mesure de débits de fluides, entre autre de produits pétroliers. Elle vise plus particu- lièrement un procédé et un appareil mettant en oeuvre ce procédé pour mesurer les quantités de gaz et de liquide débitées dans un mélange de gaz et de liquide circulant dans une canalisation, sans interrompre la circulation. L'invention trouve tout particulièrement une application dans le contrôle de l'exploitation des puits de pétrole en extraction au gaz et celle des puits produisant un mélange de gaz et d'huile. Les procédés et appareils jusqu'ici utilisés ou proposés pour de telles mesures de débits n'ont pas donné de résultat industriel fiable et sont géné- ralement très complexes. Certains mettent en oeuvre la mesure de deux paramètres physiques différents tels que la vitesse du son et le rayonnement y, d'autres appareils, p 1 u s mécaniques, comportent des hélices à pas variable se réglant automatiquement en fonction de la densité moyenne du fluide en trans- fert. D'autres appareils de mesure de fluides multi- phases ont recours à une homogénéisation suivie d'un prélèvement pour analyse comme décrit dans le brevet GB-A-2.128.756. On connait également des appareillages pour séparer le gaz et le liquide dans un mélange tel que de l'huile de pétrole brut, la plupart ont recours à une sédimentation dans de grands bacs, d'autres utili- sent des cyclones souvent montés en série, comme dans le brevet CA-A-1. 093.017, ou de structure complexe comme dans le brevet CA-A-1.136.061. Ces installations importantes ne sont pas appropriées, ni adaptables aux extractions en bord de mer ou plate-forme et introdui- sent des perturbations importantes, notamment en né- cessitant des canalisations séparées d'acheminement du gaz et du liquide entre le puits et le lieu de traitement des produits bruts. L'invention a pour but de permettre le compta- ge séparé du gaz et du liquide dans un mélange de gaz et de liquide plus ou moins homogène, sans en interrom- pre le transfert, avec un appareil simple, fiable et peu onéreux. L'invention a pour objet un procédé pour mesu- rer en continu et respectivement les quantités de gaz et de liquide dans un écoulement dynamique d'un mélan- ge de gaz et de liquide, notamment un produit pétrolier, caractérisé en ce qu'on soumet le mélange provenant d'une canalisation d'amenée à une séparation en deux écoulements séparés de gaz et de liquide, en ce qu'on mesure le débit dans chacun des deux écoulements, et en ce qu'on rassemble les deux écoulements dans une canalisation commune d'évacuation. De préférence, on effectue une séparation gra- vimétrique du gaz et du liquide en imposant au mélan- ge de gaz et de liquide un mouvement tourbillonnaire dans une enceinte close, en extrayant à la base de l'enceinte le liquide dont on canalise l'écoulement vers un appareil de mesure de débit de liquide, et en extrayant au sommet de l'enceinte le gaz dont on canalise l'écoulement vers un appareil de mesure de débit de gaz,avant de réunir les écoulements de gaz et de liquide pour leur évacuation. L'invention a aussi pour objet un séparateur- compteur diphasique, mettant en oeuvre un tel procédé, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte tourbil- lonnaire verticale dans la partie médiane de laquelle débouche tangentiellement une canalisation d'amenée sous pression d'un mélange de gaz et de liquide, en ce que l'enceinte tourbillonnaire débouche à son som- met dans un collecteur de gaz et à sa base dans un collecteur de liquide, en ce que les collecteurs de gaz et de liquide communiquent chacun à travers un débitmètre, respectivement de gaz et de liquide, avec une chambre de collection débouchant dans une canali- sation unique d'évacuation sous pression du gaz et du liquide réunis. Un mode de réalisation avantageux du sépara- teur-compteur de l'invention est caractérisé en ce que la chambre de collection, annulaire,.verticale, entoure l'enceinte tourbillonnaire, en ce que les collecteurs de gaz et de liquide, cylindriques, plats, de même diamètre que la chambre de collection, en sont séparés chacun respectivement par une cloison horizon- tale percée d'un passage d'amenée à une turbine débit- métrique, de gaz et de liquide respectivement, en ce qu'un conduit de purge traverse la chambre de collec- tion et fait communiquer le fond du collecteur de gaz avec le sommet du collecteur de liquide, et en ce que la canalisation d'évacuation débouche latéralement près de la base de la chambre de collection. Un tel séparateur-compteur comprend avantageu- sement deux déversoirs, d'inclinaison réglable, dispo- sés sur le fond de la chambre de collection, respecti- vement de part et d'autre du débouché de la canalisa- tion d'évacuation, pour maintenir un niveau de liquide constant au-dessus de la turbine débitmétrique de liquide. Dans une réalisation pratique, chaque turbine débitmétrique est logée à la sortie d'un convergent, la sortie de la turbine débitmétrique de liquide fai- sant face à un déflecteur horizontal empêchant la for- mation d'une vague liquide dans la chambre de collec- tion. Suivant une disposition constructive, un sépa- rateur-compteur suivant l'invention est caractérisé en ce la base de l'enceinte tourbillonnaire se prolon- ge axialement à l'intérieur du collecteur de liquide, cette base étant fermée par une cloison horizontale, la paroi latérale de cette base étant percée d'une pluralité d'orifices radiaux, groupés à l'opposé de la turbine débitmétrique de liquide, faisant communi- quer l'intérieur de l'enceinte avec l'intérieur du collecteur de liquide, et en ce que le collecteur de gaz se prolonge à l'intérieur du sommet de l'enceinte tourbillonnaire par une cheminée axiale ouverte de moindre diamètre que l'enceinte. Avantageusement, le passage d'amenée de gaz à la turbine débitmétrique de gaz est protégé par un rebord en saillie sur le fond du collecteur de gaz contre tout écoulement intempestif de liquide éven- tuellement entraîné par le gaz et ruisselant dans le collecteur de gaz. L'invention sera mieux compréhensible à la lecture de la description détaillée qui suit d'un exemple de réalisation de l'invention et à l'examen des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma explicatif du procé- dé de l'invention, et la figure 2 est une vue schématique, en pers- pective, d'un séparateur-compteur diphasique suivant l'invention. Le procédé de l'invention ressort du schéma de la figure 1. Le mélange arrive tangentiellement dans une enceinte cylindrique o il acquiert, de par sa propre vitesse, un mouvement tourbillonnaire qui, par effet gravimétrique, provoque la séparation du gaz et du liquide. Les courants de gaz et de liquide sont comptés séparément puis rassemblés pour l'éva- cuation. Ainsi, l'écoulement n'est pas interrompu, aucun prélèvement n'est effectué, la séparation tem- poraire s'effectue d'elle-même, et le transport du mélange est assuré par une canalisation unique, sans perte de charge inopportune Le mode de réalisation de séparateur-compteur biphasique suivant l'invention représenté, à titre d'exemple, sur la figure 2 comprend essentiellement une enceinte tourbillonnaire 1, cylindrique, vertica- le, dans la partie médiane de laquelle débouche tan- gentiellement une canalisation 2 d'amenée sous pres- sion du mélange gaz-liquide à mesurer. Cette enceinte 1 est entourée d'une seconde enceinte extérieure, cylindrique, 24 concentrique, fermée à ses deux extré- mités par des cloisons 20, 25. Deux cloisons diamétra- les annulaires 9 et 10 délimitent respectivement, en haut une chambre de collection de gaz 3 qui communique avec le sommet de l'enceinte tourbillonnaire 1 par une cheminée 22 ouverte qui pénètre dans le sommet de l'enceinte, et en bas, une chambre de collection de liquide 4 annulaire, traversée par la base de l'encein- te tourbillonnaire 1. Cette base 19 est percée latéralement d'une pluralité d'orifices 21, groupés sur un tiers envi- ron de la périphérie. Ces orifices 21 assurent une libre communication radiale entre l'intérieur de l'enceinte 1 et la chambre de collection de liquide 4. Une chambre de collection de mélange gaz- liquide 7, annulaire est délimitée entre l'enceinte tourbillonnaire 1, l'enceinte extérieure 24 et les cloisons annulaires 9 et 10. Elle communique libre- ment à sa base, près de la cloison inférieure 10, avec une canalisation radiale d'évacuation 8. Elle communique également avec la chambre supérieure de collection de gaz 3 par un passage 11 prolongé par un convergent 16 logeant une turbine débitmétrique de gaz 5, et avec la chambre inférieure de collection de liquide 4 par un passage 12 prolongé par un conver- gent 17 logeant une turbine débitmétrique de liquide 6. Ces convergents 16 et 17 ont pour fonction d'assu- rer un courant de fluide de vitesse la mieux appropriée au fonctionnement des turbines associées 5 et 6. Un rebord 23 faisant saillie de la cloison 9 dans la chambre de collection de gaz 3, protège le passage 11 et, par suite, la turbine 5 de tout écoule- ment intempestif de liquide éventuellement entrainé par le courant de gaz dans la chambre de collection de gaz 3. La cloison inférieure 10 est infléchie vers le bas, à l'opposé diamétral des orifices 21 de l'en- ceinte tourbillonnaire 1, pour assurer le noyage de la turbine débitmétrique de liquide 6 et la mettre à l'abri de perturbations éventuelles par les flux de liquide débouchant par les orifices 21. Un déflecteur horizontal 18, dans l'axe de la turbine 6 dévie en deux courants latéraux symétriques le flux de liquide sortant de la turbine 6, ce qui évite la formation de vague dans la chambre de collection de mélange 7. Deux déversoirs d'inclinaison ajustable 14, issus de la cloison inférieure 10 dans la chambre de collection de mélange 7, sont disposés symétrique- ment radialement suivant un angle d'environ 90 , de part et d'autre du débouché de la canalisation d'éva- cuation 8 dans la chambre de collection de mélange 7. Ces déversoirs permettent de maintenir un niveau de liquide constant au-dessus de la turbine débitmétri- que de liquide 6 convenant le mieux à son fonction- nement. Un conduit tubulaire de purge 13 traversant de haut en bas la chambre de collection de mélange 7, débouche librement à travers la cloison supérieure 9 dans la chambre de collecte de gaz 3, et à travers la cloison inférieure 10 dans la chambre de collecte de liquide 4, près des orifices 21 de l'enceinte tourbillonnaire 1. Le conduit 13 permet d'une part l'échappement vers la chambre de collecte de gaz 3, de bulles de gaz éventuellement entraînées par le liquide dans la chambre de collecte de liquide 4 et, d'autre part, le ruissellement vers la chambre de collecte de liquide 4, de gouttelettes de liquide éventuellement entrainées par le gaz dans la chambre de collecte de gaz 3. De plus le conduit 13 assure un équilibrage permanent de pression entre les cham- bres de collecte de gaz 3 et de liquide 4. Un tel séparateur-compteur diphasique est aisément réalisable en tôle, il est peu onéreux, d'un fonctionnement autonome,et ne perturbe pas le transfert général dans la canalisation d'acheminement du mélange. Les orifices 21 assurent une protection de la turbine débitmétrique de liquide 6 contre des détério- rations par des corps solides éventuellement transpor- tés par le mélange, à la façon d'une crépine. Il peut être avantageux de grouper ces orifices dans une pla- que amovible, aisément remplaçable, fixée dans une large ouverture correspondante de la base de l'encein- te tourbillonnaire 1. A titre d'exemple dimensionnel approximatif, pour compter le gaz et le liquide dans du gazole ren- fermant des bulles ou bouchons de gaz et acheminé dans une canalisation 2, 8 d'environ 7,37 cm de diamè- tre intérieur sous une pression d'environ 5 bars avec un débit d'environ 200 m3/jour, on utilisera une en- ceinte tourbillonnaire 1 cylindrique de révolution d'environ 30 cm de diamètre, avec une hauteur libre d'environ 60 cm au-dessus de la canalisation d'amenée 2. L'enceinte extérieure 24 aura un diamètre d'environ 46 cm et une hauteur d'environ 100 cm. L'enceinte tourbillonnaire 1 sera percée d'environ 55 orifices 21 d'environ 0,6 cm de diamètre. Le conduit de purge 13 aura environ 2 cm de diamètre, et la cheminée de gaz 22 aura un diamètre d'environ 11 cm et 20 cm de haut. Bien entendu, l'invention ne saurait être con- sidérée comme limitée aux exemples décrits et repré- sentés, bien au contraire elle permet de nombreuses variantes et adaptations accessibles à l'homme de l'art sans sortir du domaine de l'invention. 26101 05 REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer en continu et respec- tivement les quantités de gaz et de liquide dans un écoulement dynamique d'un mélange de gaz et de liquide, notamment un produit pétrolier, caractérisé en ce qu'on soumet le mélange provenant d'une canalisation d'amenée à une séparation en deux écoulements séparés de gaz et de liquide, en ce qu'on mesure le débit dans chacun des deux écoulements, et en ce qu'on ras- semble les deux écoulements dans une canalisation commune d'évacuation. 2. Procédé, suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'on effectue une séparation gravimétri- que du gaz et du liquide en imposant au mélange de gaz et de liquide un mouvement tourbillonnaire dans une enceinte close, en extrayant à la base de l'encein- te le liquide dont on canalise l'écoulement vers un appareil de mesure de débit de liquide, et en extra- yant au sommet de l'enceinte le gaz dont on canalise l'écoulement vers un appareil de mesure de débit de gaz, avant de réunir les écoulements de gaz et de li- quide pour leur évacuation. 3. Séparateur-compteur diphasique, suivant le procédé de l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé en ce qu'il comprend une enceinte tourbillonnai- re (1) verticale dans la partie médiane de laquelle débouche tangentiellement une canalisation (2) d'ame- née sous pression d'un mélange de gaz et de liquide, en ce que l'enceinte tourbillonnaire débouche à son sommet dans un collecteur de gaz (3) et à sa base dans un collecteur de liquide (4), en ce que les col- lecteurs de gaz et de liquide communiquent chacun à travers un débitmètre (5, 6), respectivement de gaz (5) et de liquide (6), avec une chambre de collec- tion (7) débouchant dans une canalisation unique d'évacuation (8) sous pression du gaz et du liquide réunis. 4. Séparateur-compteur, suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la chambre de collection (7), annulaire, verticale, entoure l'enceinte tourbil- lonnaire (1), en ce que les collecteurs de gaz (3) et de liquide (4), cylindriques, plats, de même diamètre que la chambre de collection (7), en sont séparés cha- cun respectivement par une cloison horizontale (9, ) percée d'un passage d'amenée (11, 12) à une tur- bine débitmétrique, de gaz (5) et de liquide (6) res- pectivement, en ce qu'un conduit de purge (13) traver- se la chambre de collection (7) et fait communiquer le fond (9) du collecteur de gaz (3) avec le sommet (10) du collecteur de liquide (4), et en ce que la canalisation d'évacuation (8) débouche latéralement près de la base (10) de la chambre de collection (7). 5. Séparateur-compteur, suivant la revendica- tion 4, caractérisé en ce que deux déversoirs (14, ) d'inclinaison réglable, sont disposés sur le fond (10) de la chambre de collection (7), respectivement de part et d'autre du débouche de la canalisation d'évacuation (8) pour maintenir un niveau de liquide constant au-dessus de la turbine débitmétrique de liquide (6). 6. Séparateur-compteur, suivant l'une des ii revendications 4 et 5, caractérisé en ce que chaque turbine débitmétrique (5, 6) est logée à la sortie d'un convergent (16, 17), la sortie de la turbine débitmétrique de liquide (6) faisant face à un déflec- teur horizontal (18) empêchant la formation d'une vague liquide dans la chambre de collection (7). 7. Séparateur-compteur, suivant l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la base (19) de l'enceinte tourbillonnaire (1) se prolonge axialement à l'intérieur du collecteur de liquide, cette base étant fermée-par une cloison horizontale (20), la paroi latérale de cette base étant percée d'une pluralité d'orifices radiaux (21), groupés à l'opposé de la turbine débitmétrique de liquide (6), faisant communiquer l'intérieur de l'enceinte (1) avec l'intérieur du collecteur de liquide (4), et en ce que le collecteur de gaz (3) se prolonge à l'inté- rieur du sommet de l'enceinte tourbillonnaire (1) par une cheminée axiale ouverte (22) de moindre diamètre que l'enceinte (1). 8. Séparateur-compteur, suivant l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le passa- ge (11) d'amenée de gaz à la turbine débitmétrique de gaz (5) est protégé par un rebord (?3) en saillie sur le fond (9) du collecteur de gaz (:) contre tout écoulement intempestif de liquide éventuellement en- trainé par le gaz et ruisselant dans le collecteur de gaz.