Brevet FR2617245A1 — publié le 19881230

La présente invention concerne une pompe à jet dont L'efficacité est améliorée, notamment pour des fluides pompés comportant au moins une phase liquide et une phase gazeuse. Plus spécifiquement, La présente invention concerne une configuration de mélangeur pour. pompe à jet qui permet notamment d'atteindre ce but et qui est plus particulièrement adaptée aux fluides pompés dont la composition varie fortement. De telles pompes à jet sont notamment utilisables dans la production des effluents pétroliers. Les pompes à jet sont du type hydrodynamique et fonctionnent principalement en transférant une quantité de mouvement entre deux courants de fluides adjacents. Le fluide moteur à haute pression en traversant une duse produit un jet à haute vitesse, transformant alors son énergie potentielle en énergie cinétique. Le fluide à pomper, tel le fluide d'une formation géologique, passe à travers un col et est mélangé à grande vitesse au fluide moteur dans un mélangeur ou les deux fluides acquièrent sensiblement la même vitesse. En sortant du méLangeur, le mélange de fluides est ralenti dans un diffuseur divergent qui convertit l'énergie cinétique du mélange en énergie de pression. Le niveau d'énergie de pression requis doit être suffisant pour véhiculer les fluides mélangés notamment pour les élever à la surface du sol à partir du fond du puits, ceci lorsqu'il s'agit d'extraire la production d'un puits pétrolier. Les techniques antérieures de conception des pompes à jet préconisent que le mélangeur ait une section constante. D'autres types de pompes à jet comportent en aval du col des évasements progressifs ayant des formes de trompette, mais ces formes, en plus de Leur coût d'obtention élevé, ont linconvénient de conduire à des pompes très encombrantes et/ou qui n'ont pas un rendement correct, notamment lorsque la composition du fluide à pomper varie. Par mélangeur, on entend la partie de la pompe à jet qui permet d'homogénéiser les vitesses de l'écoulement provenant du courant de fluide moteur et du courant de fluides à pomper, de manière que le diffuseur qui suit le mélangeur convertisse convenablement l'énergie cinétique en énergie de pression. Si l'homogénéisation des vitesses est incorrecte, il se produit dans le diffuseur des décollements qui se traduisent pas des pertes d'énergie sous forme de chaleur et éventuellement par de la cavitation. Dans une pompe à jet, le mélangeur s'étend en aval à partir du col, au niveau duquel la distribution des vitesses est marquée par un gradient de vitesse très accentué, notamment entre la vitesse de chacun des courants ou de chacune des phases, jusqu'au lieu où le profil des vitesses devient relativement plat. Cette homogénéisation des vitesses produite par le mélangeur ne s'accompagne pas obligatoirement d'une homogénéisation de la matière résultant des différents courants et/ou phases de ces courants. Pratiquement, les pompes à jet connues sont adaptées à fonctionner pour des compositions de fluide à pomper reLativement constantes car autrement le rendement de la pompe en serait trop affecté. La présente invention propose une pompe à jet pour fluide comportant au moins une phase, cette pompe comportant une duse ayant un diamètre d'embouchure et alimenté par un fluide moteur produisant un jet entrainant le fluide à pomper et dirigé vers un col ayant un diamètre, la pompe comportant un mélangeur placé en aval du col et un diffuseur placé en aval du mélangeur. La pompe à jet selon l'invention est notamment caractérisée en ce que le mélangeur a sensiblement une forme de cône dont l'ouverture est orientée dans La direction s'écartant du col. Cette disposition permet d'accroître le rendement de la pompe à jet pour des compositions très variables de fluides à pomper, notamment des compositions relatives à un fluide à pomper comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide. La pompe proposée est particuLièrement avantageuse pour la production des effluents pétroliers, notamment ceux comportant au moins une phase liquide et une phase gazeuse et spécialement ceux dans lesquelles ces deux phases varient dans de grandes proportions de volumes, comme cela peut être le cas lorsque le gisement en fin d'exploitation est à faible pression et/ou lorsque se produit un phénomène d'arrivée de gaz sous forme dite de cône, en anglais "coning", ou sous forme d'une venue de gaz temporaire lorsque le gisement est de structure hétérogénie particulière. Le cône du mélangeur pourra être de révolution et son angle au sommet pourra être sensiblement compris entre 0,5 et 2,5 degrés et en étant de préférence sensiblement compris entre 0,7 et 2,0 degrés. Le mélangeur pourra avoir une longueur sensiblement comprise entre 5 et 15 fois le diamètre du col et de préférence entre 8 et 12 fois le diamètre du col. Le rapport du diamètre intérieur de la duse au diamètre du col pourra être sensiblement compris entre 0,25 et 0,6. Le diffuseur pourra comporter une partie 'conique consécutive au mélangeur dont L'angle au sommet est sensiblement compris entre 3 et 4 degrés et dont la longueur est sensiblement comprise entre 2 et 4,2 fois le diamètre de sortie du cône mélangeur. Le fluide moteur pourra comporter substantiellement un liquide. On pourra appliquer la pompe à jet avec des fluides comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide et ayant un rapport du volume de la phase gazeuse au volume de la phase liquide sensiblement compris entre 0 et 300. On pourra appliquer la pompe à jet selon l'invention à la production de fluides de gisements souterrains comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse. Dans les conditions de fonctionnement de la pompe à jet, la phase gazeuse pourra être un gaz hydrocarboné et la phase liquide pourra etre un hydrocarbure liquide. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante illustrée par les figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre en section une pompe à jet en production dans un puits exploitant un gisement souterrain, et - la figure 2 schématise les dispositions géométriques d'une pompe a jet selon L'invention. Sur La figure 1, la référence 20 désigne une formation géologique dans laquelLe a été foré un puits. Ce puits est équipé d'un tubage 21. Dans ce tubage 21 est disposé un tube de production 22 où est installée librement une pompe à jet 23 destiné à activer la production. Par pompe "libre", on entend ici une pompe pouvant se déplacer dans le tube de production 22 et qui, en fonctionnement, repose sur l'épaulement 24 intégré au tube de production. La pompe à jet 23, qui est alimentée au travers d'un orifice d'injection 25 par un fluide moteur provenant de la surface du sol, aspire le fluide à pomper à La partie inférieure 26 du tubage qui est reliée à la formation géologique devant être activée. Le fluide à pomper arrivant à la partie inférieure de la pompe transite au travers d'un distributeur 27, puis s'écoule dans l'espace situé entre l'extérieur de la pompe et le tube de production vers une chambre d'alimentation 28 intérieure à la pompe. Le fluide à pomper ressort de la pompe par une embouchure 29 après avoir accumulé une certaine énergie, penêtre dans L'espace annulaire 30 compris entre le tubage 21, le tube de production 22 et le joint d'étanchéité 31 du type packer, puis est évacué vers la surface du sol. Sur la figure 2 schématisant les dispositions géométriques d'une pompe à jet selon l'invention, la duse 10, qui est alimentée par le fluide moteur au travers de l'orifice d'injection, produit par son embouchure 10a un jet de fluide à grande vitesse entrainant vers un col 12 Le fluide à pomper situé dans la chambre d'alimentation 11. Le mélangeur 13 dans lequel on effectue l'homogénéisation des vitesses prend naissance au col 12 et s'étend en aval jusqu'à un diffuseur 14a, 14b. Le. fluide résultant du fluide moteur et du fluide à pomper est ensuite évacué au travers d'un canal de sortie de pompe 15, ce canal étant relié à une conduite, telle celle définie par un espace annulaire 30 comme illustré à la figure 1. Le point 1 est relatif au sommet du cône osculateur au mélangeur 13 dont L'angle au sommet est alpha et le point 2 correspond au centre de gravité de l'embouchure de la duse. Le mélangeur est délimité par deux sections respectivement du col et de L'embouchure du mélangeur, dont les centres de gravité sont respectivement les points 3 et 5. Le diffuseur représenté qui comporte deux parties est délimité par une section d'entrée du diffuseur, ou d'embouchure du mélangeur et une section de sortie du mélangeur dont les centres de gravité respectifs sont les points 5 et 8. La section intermédiaire au niveau de laquelle l'ouverture du diffuseur varie, comporte un centre de gravité noté 7. Les sommets des cônes osculateurs des première 14a et deuxième 14b sections du mélangeur correspondent respectivement aux points 4 et 6, alors que les angles au sommet de ces deux cônes sont respectivement bêta et gamma. En général, les points 1 à 8 sont sensiblement alignés, mais on ne sortira pas du cadre de l'invention en déplaçant transversalement ces points par rapport à un axe comportant au moins deux de ces points. La distance L23 entre les points 2 et 3 est appelée recul, et la distance L35 entre les points 3 et 5 correspond à la longueur du mélangeur 13, alors que les distances L67 et L78 entre les points 6 et 7, et 7 et 8, correspondent respectivement aux Longueurs de la première partie 14a et de la deuxième partie 14b du diffuseur. D'une manière générale, les pompes à jet possèdent une symétrie radiale et les diamètres des différentes sections de la pompe sont directement définissables. On ne sortira pas du cadre de L'invention si les pompes à jet n'ont pas de symétrie radiale. On considérera alors comme diamètre d'une section, le diamètre équivalent d'un disque ayant même aire que la section considérée. D'une manière générale, indépendamment des fluides véhiculés, le rendement R d'une pompe à jet est défini comme étant le rapport de la puissance acquise a dans la pompe par le fluide pompé à la puissance motrice Wm nécessaire pour produire le pompage. Les équations du rendement données ci-apres ont été établies avec les hypothèses classiques de la mécanique des fluides telles que l'homogénéité des fluides, des compressions isothermes, un gaz parfait non soluble. Lorsque le fluide de pompage est un liquide et le fluide pompé est un liquide, le rendement RL s'écrit On appellera par la suite N le rapport (P5 - PA) sur CPM P P5). Lorsque le fluide de pompage est un liquide et le fluide pompé comporte une phase liquide et une phase gazeuse, le rendement RGL s'écrit : ou QA = débit volumique de fluide aspiré au niveau de la bride d'aspiration, QM = débit volumique de fluide de pompage fluide moteur), QG = débit volumique de la phase gazeuse du fluide pompé au niveau de la bride d'aspiration, QL = débit volumique de La phase liquide du fluide pompé au niveau de la bride d'aspiration, PA = pression à l'aspiration du fluide pompé au niveau de la bride d'entrée dans la pompe, P5 = pression du mélange de fluide à la sortie de la pompe, PM = pression du fluide en aval de la duse. Le rapport du débit volumique de gaz pompé QG au débit volumique de liquide pompe QL est noté GLR (Gas Liquid Ratio) et correspond au GOR (Gas Oil Ratio) anglo-saxon couramment utilisé dans l'industrie pétrolière, lorsque la production d'eau de gisement est négligeable. Le rapport de débit volumique de fluide pompé QL + Q, G au débit volumique de fluide moteur QM, est noté QL + QG M = QM Ce rapport M, de même que le GLR, la pression d'aspiration PA, Le recul L23, ou le rapport des différences de pression N, est un paramètre de fonctionnement de premier ordre du rendement d'un pompe à jet. Différentes configurations de pompe à jet, qui ont été testées, sont rassemblées dans le tableau 1 et des essais faisant varier différents paramètres de fonctionnement sont récapitulés dans le tableau 2. Le fluide moteur utilisé est du gazole. Du gazole constitue la phase liquide pompé, de l'azote constitue la phase gazeuse pompée. TABLEAU 1 : caractéristiques dimensionnelles des pompes essayées. NO Essai D2 D3 L35/D3 Alpha L57/D5 Bêta Gamma (mm) (mm) 1 à 3 6,76 11,03 11,33 0o * 6 - 4 à 6 6,7 10,6 5 1,3 * 70 - 7 à 9 6,7 10,6 8,5 1,30 * 7o ~ 10 à 12 6,7 10,6 12 1,30 3,1 3,5 7o * longueur suffisante (théoriquement) pour que Le rendement soit sensiblement maximum, cette longueur étant limitée par le diamètre de sortie qui doit être inférieur au diamètre externe de la pompe. où D2 = diamètre de l'orifice de la duse (mm) D3 = diamètre du col (mm), L35 = longueur du mélangeur (mm), L57 longueur (mm) de la première partie du diffuseur ou longueur du diffuseur lorsque celui-ci ne possède pas de deuxième partie, D5 = diamètre de sortie du mélangeur (mm). Les conditions opératoires, telles que débits du fluide moteur et/ou du fluide pompé, pression d'aspiration ou de refoulement, sont tout à fait représentatives des conditions d'utilisation régnant dans un puits pétrolier exploitable par de tels types de pompe. La température des fluides, qui en modifie leur viscosité, n'a pas été prise en considération, du fait de son rôle de second ordre sur le rendement. Les caractéristiques de la duse, notamment sa section d'embouchure, sa forme, ont été adaptées aux conditions d'exploitation. Les va leurs du rendement récapitulées dans le tableau 2 sont données pour des conditions d'utilisation sensiblement optimales, pour une pression d'aspiration donnée de chacune des configurations de pompe à jet testée, notamment pour un recul constant, et des valeurs de pression P A du fluide aspiré comparables. Si l'on compare les essais 4, 5 et 6 (relatifs à une pompe à jet comportant un mélangeur conique de longueur 5 fois Le diamètre du col (D) dont l'angle du sommet du cône (alpha) est 1,30) aux essais 1 à 3 (relatifs à une pompe à jet construite selon l'état de la technique et ayant un mélangeur cylindrique de longueur 11,33 D), on constate qu'en rendant conique le mélangeur et en réduisant considérablement sa longueur, ce qui procure. un gain en compacité, on conserve sensiblement le même rendement. L'intérêt sur le rendement de pompage d'un mélangeur conique s'élargissant en aval, et gardant à la pompe les avantages d'une compacité améliorée, est démontrée aux essais 7 à 9. En effet, ce mélangeur 8,5 D possède un rendement supérieur de 2,5 ; 3,5, voire 9 points, par rapport à la pompe à jet classique des essais 1 à 3, Lorsque la composition du mélange aspiré (GLR) varie. Enfin, les essais 10 à 12 confirment qu'avec un mélangeur conique (alpha = 1,30) de longueur 12 D sensiblement égale à celle du mélangeur de la pompe de référence des essais 1 à 3, ayant une partie de diffuseur à 3,50, le rendement est notablement augmenté, plus particulièrement lorsque le fluide pompé ne comprend que du gaz auquel cas le rendement gagne remarquablement plus de 10 points. La variation de L'angle du diffuseur entre la pompe des essais 1 à 3 et les pompes des essais 4 à 9, dont les angles sont respectivement de 60 et 70, n'est pas connue dans la technique pour avoir une influence notable sur te rendement de pompes à jet essayées. TABLEAU 2 N Essai Recul GLR P A R X L35/D3 1 8,4 0 30 à 50 37,5 11,33 2 8,4 1 50 36 3 8,4 Oc 45 38 4 25 0 30 à 50 37,5 5 5 25 1 50 35,5 " 6 25 ao 47 37,5 7 13 0 44 39 8,5 8 13 1 45 39,5 " 9 13 ao 35 47 10 13 0 44 42 12 11 13 1 45 43 " 12 13 Oc 40 51 R E V E N D I C A T I O N S 1. - Pompe à jet pour fluide comportant au moins une phase, ladite pompe comportant une duse (10) ayant un diamètre d'embouchure (D2) et alimentée par un fluide moteur produisant un jet entraînant un fluide à pomper et dirigé vers un col (12) ayant un diamètre (D3), ladite pompe comportant en outre un mélangeur (13) placé en aval dudit col (12) et un diffuseur (14a, 14b) placé en aval dudit mélangeur, caractérisé en ce que ledit mélangeur a sensiblement une forme de cône dont l'ouverture est orientée dans la direction s'écartant du col. 2. - Pompe à jet selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit cône est un cône de révolution et l'angle au sommet dudit cône est sensiblement compris entre 0,5 et 2,5 degrés. 3. - Pompe à jet selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'angle au sommet dudit cône est sensiblement compris entre 0,7 et 2,0 degrés. 4. - Pompe à jet selon L'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le mélangeur (13) a une longueur sensiblement comprise entre 5 et 15 fois le diamètre du col (12). 5. - Pompe à jet selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite longueur du mélangeur (13) est sensiblement comprise entre 8 et 12 fois le diamètre du col (12). 6. - Pompe à jet selon lune des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le rapport du diamètre intérieur de la duse au diamètre du col (12) est sensiblement compris entre 0,25 et 0,6. 7. - Pompe à jet selon L'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit diffuseur comporte une partie conique consécutive au mélangeur (13), dont l'angle au sommet est sensiblement compris entre 3 et 4 degrés et dont la longueur est sensiblement comprise entre 2 et 4,2 fois le diamètre de sortie du cône mélangeur. 8. - Pompe à jet selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le fluide moteur comporte substantiellement un liquide. 9. - Application de la pompe à jet selon l'une des revendications 1 à 8 aux fluides comportant au moins une phase gazeuse et une phase liquide, caractérisée en ce que le rapport du volume de la phase gazeuse au volume de la phase liquide est sensiblement compris entre 0 et 300. 10. - Application selon la revendication 9 de la pompe à jet à la production de gisements souterrains comportant au moins- une phase liquide et au moins une phase gazeuse, tels des gisements pétroliers.