Brevet FR2630785A1 — publié le 19891103

L'invention concerne un dispositif de pompage d'un fluide polyphasique notamment adapté à la production d'hydrocarbures en mi lieu où l'intervention humaine est difficiLe, si ce n'est impossible, et qui nécessite, entre autre, une grande fiabilité du matériel. L'invention s'applique, app en particulier, à la production d'hydrocarbures à partir d'au moins une tête de puits immergé équipant un gisement, tel un gisement situé au large des côtes, ces hydrocarbures comprenant un mélange polyphasique gaz-liquide sous pression. L'invention s'applique, en outre, en particulier, à la production d'hydrocarbures à partir d'au moins une tete de puits disposée dans un environnement difficile d'accès, tel La forêt vierge. Le dispositif selon L'invention permet notamment le pompage d'une phase liquide et d'une phase gazeuse dans une conduite unique et évite de ce fait L'usage d'un séparateur de phase et de deux conduites séparées pour l'acheminement des fluides pompés séparément. Il est connu d'utiliser des pompes-compresseur polyphasiques tournantes, mais leur coût est très élevé et leur rendement modéré notamment en raison des pertes par frottements importants, ces pertes étant entre autres liées à La grande vitesse de rotation et aux volumes pompés. Le dispositif selon la présente invention permet de pomper des fluides polyphasiques tout en conservant un bon rarement. Le dispositif de pompage de fluide polyphasique selon L'invention comporte en combinaison une conduite d'alimentation du fluide à pomper et une conduite de refoulement du fluide pompé, au moins une première chambre à volume variable adaptée à pomper le fluide. cette chambre est définie par une première culasse, un premier cylindre et un premier piston. Le piston se déplace selon L'axe longitudinal du cylindre dans ledit cylindre. Le dispositif selon l'invention comporte en outre au moins un premier organe moteur adapté à déplacer Ledit piston dans ledit cylindre, et un carter enveloppant au moins L'espace balayé par le piston, cet espace est placé de manière opposée à ladite chambre par rapport au piston. Ce carter contient un fluide gazeux. Le premier organe moteur pourra etre un premier vérin hydraulique. Le dispositif selon L'invention pourra comporter une deuxième chambre à volume variable adaptée à pomper Ledit fluide. Cette deuxième chambre est définie par une deuxième culasse, un deuxième cylindre et un deuxième piston. Le deuxième piston se déplace selon l'axe longitudinal dudit deuxième cylindre dans ledit deuxième cylindre. Le carter enveloppe en outre L'espace balayé par le deuxième piston, cet espace étant opposé à la deuxième chambre par rapport audit deuxième piston. Les déplacements d'au moins te premier et deuxième pistons sont adaptés pour que La pression dudit fluide dans ledit carter soit sensiblement constante. Ce dispositif pourra également comporter un deuxième vérin hydraulique, le premier vérin étant solidarisé avec Le premier piston, le deuxième vérin sera solidarisé avec ledit deuxième piston. De plus, il pourra comporter des moyens de commande du premier et du- deuxième vérin adaptés à réduire le volume de la première chambre tout en augmentant le volume de la deuxième chambre et adaptés à réduire le voLume ie la deuxième chambre tout en augmentant le volume de la première chambre et cela alternativement. Les moyens de commande pourront déclencher L'augmentation du volume d'une des deux chambres seulement si L'autre des deux chambres a atteint son volume maximum, et les moyens de commande pourront déclencher une réduction du volume d'une chambre seulement si L'autre des deux chambres a atteint son volume maximum. Le dispositif selon L'invention pourra comporter un générateur haute pression débitant un fluide hydraulique sous haute pression et un générateur basse pression débitant un fluide hydraulique sous une pression inférieure à ladite haute pression, ledit générateur haute pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une réduction du volume de Leur chambre associée, ledit générateur basse pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une augmentation du volume de leur chambre associée. Ledit carter selon L'invention pourra etre clos et communiquer seulement avec La conduite d'aspiration ou seulement avec la conduite de refoulement. Le dispositif selon L'invention pourra avoir le premier ou le deuxième vérin qui comporte un corps, ce corps pouvant etre au moins partiellement à l'extértieur du carter. Le dispositif selon L'invention pourra comporter plusieurs chambres de pompage, mais en nombre pair. Le carter pourra être étanche. Le dispositif précèdent pourra être avantageusement appliqué au pompage d'effluents pétroliers, et notamment à la production aquatique de ces effluents, telle la production marine, le dispositif étant situé au fond d'un mi lieu aqueux ainsi qu'à la production terrestre en mi lieu hostile. La présente invention concerne égaiement un dispositif de pompage de fluide polyphasique qui comporte en combinaison une conduite d'alimentation du fluide à pomper et une conduite de refoulement du fluide pompé, au moins une chambre à volume variable adaptée à pomper le fluide, cette chambre étant définie par une culasse, un cyLindre et un piston. Le piston se déplace selon l'axe longitudinal du cylindre dans le cylindre. Le piston comporte un logement débouchant sur une partie supérieure du piston, et la culasse comporte une saillie pénêtrant dans ledit Logement Lorsque ledit piston se rapproche de ladite culasse. Le piston et la culasse coopèrent ensemble pour produire un jet de fluide dirigé vers au moins ur orifice d'échappement dudit fluide polyphasique. Le Logement et La saillie pourront avoir des formes tronconiques sensiblement complémentaires. Le logement e.t Ladite saillie pourront être disposés au voisinage de L'axe dudit cylindre. La chambre pourra comporter un orifice d'alimentation du fluide disposé à un sommet de ladite sailLie. La culasse pourra comporter au moins deux orifices d'échappement disposés à des distances sensiblement égales de l'axe dudit cylindre. L'invention sera bien comprise à la Lecture de la description d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 montre une vue partielle en coupe du dispositif de pompage selon L'invention, - la figure 2 montre une vue d'ensemble en coupe d'un dispositif comportant quatre éléments de pompage et disposé dans un module de pompage notamment adapté à la production sous-marine, et - la figure 3 schématise la commande hydraulique de deux vérins du dispositif de pompage. Sur La figure 1, la référence 1 désigne dans son ensemble un premier élément de pompage du dispositif selon L'invention, la référence la étant relative a un deuxième élément de pompage de ce même dispositif identique au premier élément. Cet élément de pompage 1 comporte une chambre 2 délimitée par une culasse 3, un cylindre 4 et un piston 5. Le piston 5 coulisse dans le cylindre 4 au moyen d'un vérin 6 accouplé par la tige 7 du vérin 6 et un axe 8. Le piston comporte des moyens d'étanchéité 9, tels des segments ou tels des joints à Lièvres utilisés par exemple sur les pistons de pompe à boue, qui coopère avec le cylindre 4 pour assurer la compression du fluide. La culasse 3 comporte une saillie 10 située sur l'axe du cylindre de- forme tronconique évasez à sa base 10a, et un orifice d'aLimentation 11 en fluide à son sommet 10b. L'orifice d'alimentation 11 comporte un siège qui est obturé par une soupape 12 au cours de la phase de rempLissage de la chambre 2 de manière à y Laisser penêtrer le fluide provenant du conduit d'alimentation 13; Le fluide fenêtre dans la chambre du fait de la différence des forces de pressions existantes de part et d'autre de la soupape 12 et qui est - suffisante pour s'opposer au moyen de rappel 14 de la soupape 12.Le fluide, qui est compressé par diminution du volume de la chambre 2, s'échappe de la chambre 2 au travers de quatre orifices d'évacuation 15 pourvus de clapets anti-retour 16 comportant des soupapes 17 coopérant avec des sièges solidaires de la culasse et des ressorts 18 assurant l'obturation des orifices d'évacuation au cours de la phase d'alimentation de la chambre 2. Les orifices d'évacuation 15 sont reliés à une conduite d'évacuation 19. Au cours de la réduction du volume de la chambre 2, la saillie 10 penètre dans le logement 20 du piston de manière à produire un jet de fluide dirigé vers les orifices d'évacuation 15. Les formes sensiblement complémentaires et tronconiques du logement 20 et de la saillie 10 permettent la production d'un jet à haute vitesse sur les parois du logement 20 du piston 5, de la culasse 3 (notamment de sa saillie 10) et du cylindre 4 de manière à faciliter L'évacuation du fluide et le nettoyage des dépôts qui sty incrusteraient faute de cette disposition avantageuse. La disposition centrale de la saillie 10 et du Logement 20 permet en outre une répartition du fluide, des son introduction dans la chambre, favorable à sa compression. Le vérin 6 est relié au travers de deux orifices 21 et 22 à des générateurs hydrauliques adaptés à produire Les mouvements du vérrin et les variations de volume de la chambre 2. L'élément 1 du dispositif de pompage comporte en outre un carter, désigné 23 dans son ensemble, qui enveloppe L'espace balayé par le piston 5 et opposé par rapport au piston 5, à la chambre 2, ainsi que L'espace libre entre le piston et le corps ou partie fixe du vérin 6. Ce carter 23 communique avec le carter homologue 23a de L'élément de pompage la. Les carters 23, 23a... des éléments contiennent du fluide gazeux dont La pression est notamment adaptée à réduire voire annuler les fuites de fluide polyphasique entre la chambre 2 et Le carter, et/ou à diminuer l'épaisseur du ou des carters 23, 23a... devant résister à l'éventuelle pression hydrostatique du mi lieu environnant le dispositif de pompage. Ainsi, en exploitation pétrolière sous-marine, cette pression extérieure peut être celle produite par une colonne d'eau de mer de 1000m de hauteur. D'une manière souvent très avantageuse, cette pression peut être celle de la conduite d'alimentation ou celle de la conduite de refoulement. Le carter peut être relié à, voire traversé par, L'une ou L'autre de ces conduites. Les fuites de fluides entre la chambre 2 et le carter 23 peuvent alors se mélanger avec Le fluide pompé ou à pomper. On pourra aussi pressuriser Le carter à une pression voisine de la pression extérieure, cependant les fuites de gaz du carter vers la chambre de pompage oblige à renouveler le gaz. Ce renouvellement nécessite, Lorsque Le dipositif est utilisé sous t'eau à de grande profondeur, un générateur de gaz qui complique le fonctionnement du dispositif tout en réduisant sa fiabilité. La figure 2 représente en coupe un dispositif de pompage comportant quatre éléments et disposé dans un module de pompage pouvant être immergé au fond de la mer, par exemple à une profondeur de zoom. Le module de pompage 25 est adapté à être positionné sur une base 26 au moyen de quatre poteaux guides solidaires de la base coopérant avec des cônes guides solidaires du module. La descente de ce module sur La base est guidé par des lignes guides montées aux sommets des poteaux, tes lignes coopérant avec lesdits cônes guides. Au mi lieu de ces quatre poteaux guides est disposé un raccord 27 traversé par une conduite d'alimentation du dispositif de pompage, et qui vient de la tête de puits ou d'un ensemble de tête de puits et par la conduite d'évacuation du fluide pompé qui remonte à la surface de l'eau directement ou après un parcours au fond de l'eau. Ce raccord 27 coopère avec un collet 28 solidaire du module de pompage 25. De ce collet 28, la conduite d'alimentation 13 rejoint le carter 23 du premier élément de pompage. Le fluide pompé traverse Les carters 23 et 23b d'un troisième élément de pompage ainsi que la bride d'assemblage 24 avant d'être conduit par la conduise 13 vers une boîte de distribution 29 qui répartit le fluide da s chacune des chambres de pompage. Le fluide - une fois pompé quitte les différentes chambres par les conduites 19, se rassemble dans différentes boites de collecte 30, 31 avant d'être dirigé, toujours par la conduite d'évacuation vers le collet 28 et le raccord 27. Le module de pompage comporte en outre une centra le hydraulique 32, un conteneur electrohydraulique 33, un conteneur boche souple 34 et un conteneur électronique 35 tous disposés sous les chambres de- pompage entre Les corps des vérins. La centrale hydraulique 32 transforme L'énergie électrique venant de la surface en énergie hydraulique permettant les déplacements de quatre vérins (6, 6a, 6b et celui non représenté). Le conteneur électro-hydraulique 33 assure.la distribution du fluide hydraulique entre la centrale hydraulique 32 et les vérins 6, 6ai 6b. Le conteneur bâche souple 34 sert de vase d'expansion et de bâche de stockage au fluide hydraulique. Le conteneur électronique 35. comporte les circuits de commande et de mesure des différents capteurs, vannes du module de pompage. Le conteneur 35 comporte notamment les circuits de commande des mouvements des vérins, des ouvertures et fermetures des vannes, les circuits électroniques des capteurs de pression, température, débit et pollution. La partie supérieure du module comporte un bouclier 36 assurant La protection du module contre La chute d'objets tels des tiges de forage. a forme conique du bouclier 36 permet d'utiliser sa partie concave 37 comme piège à hydrocarbures contre la pollution. Le bouclier 36 est surmonte d'un raccord 38 permettant de maintenir et de manipuler le module c pompage par un câble ou par un train de tiges. La fixation des différents organes du module et la rigidité de celui-ci est notamment assure par les tubes support 39, Les planchers 40, 41, 42. La figure 3 schématise La commande hydraulique de deux vérins 6, 6a associés au dispositif de commande. Les vérins du dispositif sont appariés de manière que la pression dans le carter ne varie pas du fait des variations de volume du fluide s'y trouvant, les variations de volumes étant produites par le mouvement des pistons dans les cylindres. La centrale hydraulique comporte un générateur hydraulique haute pression 50 à débit pouvant varier mais fonctionnant à débit constant pour des conditions de production données du fluide polyphasiquei Ce générateur 50 fournit L'énergie hydraulique (1 MW) nécessaire au pompage du fluide pendant la phase de compression-évacuat ion. La centrale comporte en outre un générateur hydraulique 51 à débit pouvant varier mais utilisé à débit constant pour les conditions de production susdites. Ce générateur 51 fournit L'énergie nécessaire à L'alimentation des chambres 67 de rappel de la tige du vérin et à leur augmentation de volume. Un générateur hydraulique d'asservissement 52 fournit le fluide nécessaire à la commande de la distribution du fluide hydraulique des vérins. Ces trois générateurs 50, 51, 52 sont entraînes par un moteur 53 disposé dans une enceinte équipression avec la centra le hydraulique 32 dans lequel il se trouve. Chacun de ces générateurs 50, 51, 52 est pourvu d'un filtre ayant une dérivation de sécurité 50a, 51a, 52a respectivement et d'une vanne différentielle 50b, 51b, 52b limitant la pression de refoulement. L'aspiration de ces pompes s'effectue à travers un filtre 54 ayant une dérivation de sécurité dans L'enceinte de ça centrale hydraulique 32 servant de bâche rigide au fluide hydraulique. Cette bâche rigide est reliée à une bâche souple 55 disposée dans le container 34. Chacun des vérins 6, 6a comporte des capteurs 56, 56a, 57, 57a de fin de course, par exemple du type magnétique, qui permettent l'asservissement des mouvements des vérins entre eux. Ces capteurs 56, 56a, 57, 57a sont reliés éLectriquement en 58 au central de commande 59. Ce central 59, qui est alimenté en fluide hydraulique par la pompe 52 et la capacité 60 disposée en dérivation de la pompe, commande le fonctionnement des distributeurs 61, 62, 63, 64 par une sortie hydraulique 65. Ces distributeurs sont d'un type à commutation rapide de manière à éviter les coups de bélier qui seraient induits par les changements des mouvements des vérins. Les distributeurs font communiquer alternativement les chambres de chacun des vérins avec le retour 66 à la bâche, et soit, Le générateur haute pression 50, soit le générateur basse pression 51. Le central de commande réalise la commutation des distributeurs lorsque les deux vérins ont atteint leur course dont la fin est détectée par les capteurs 56, 67, 56a, 57a. La figure 3 schématise le fonctionnement de La commande au cours de L'extension du vérin 6 et Le retrecissement du vérin 6a, La chambre supérieure 67 du vérin 6 se vidant dans Le retour 66 -à - La bâche, la chambre inférieure 68 du vérin 6 se rempLissant avec Le fluide du générateur haute pression 50, La chambre supérieure 67a du vérin 6a se remplissant avec Le fluide du générateur basse pression 51, La chambre inférieure 68a du vérin 6a se vidant dans Le retour 66 à La bâche. Lorsque Le vérin 6 est compLètement sorti et Le vérin 6a entièrement rentré, Le central de commande produit La commutation des distributeurs 61, 62, 63, 64 de manière que La chambre supérieure 67 soit alimentée par le générateur basse pression 51, la chambre inférieure 68 se vide dans Le retour 66, La chambre supérieure 67a se vide dans Le retour 66 et La chambre inférieure 68a soit alimentée par Le générateur haute pression 51. Lorsque Le vérin 6 est compLètement rentré et Le vérin 6a entièrement sorti, Le centraL commande la commutation des distributeurs 61, 62, 63, 64 qui se retrouve dans La disposition schématisée.à La figure 3. Le retour 66 à La bâche est pourvu d'un filtre 69 comportant une dérivation de sécurité et un échangeur 70 adapté à refroidir Le fluide hydrauLique. REVENDICATIONS 1. - Dispositif de pompage d'un fLuide po:yphaique, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison une conduite d'alimentation (13) du fluide à pomper et une conduite de refouLement (19) du fluide pompé, au moins une première chambre (2) à volume variable adaptée à pomper ledit fLuide, ladite chambre (2) étant définie par une première culasse (3), un premier cylindre (4) et un premier piston (5), le piston (5) se déplaçant selpn l'axe longitudinal du cylindre (4) dans ledit cylindre (4), en ce qu'il comporte au moins un premier organe moteur (6) adapté à déplacer ledit piston (5) dans ledit cylindre (4), et en ce outil comporte en outre un carter (23) enveloppant au moins L'espace balayé par le piston (5), ledit espace étant opposé par rapport audit piston (5) à ladite première chambre (2), et en ce que ledit carter (23) contient un fluide gazeux. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier organe moteur (6) est un premier vérin hydrauLique (6). 3. - Dispositif selon L'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième chambre à volume variable adapté à pomper ledit fluide, ladite deuxième chambre étant définie par une deuxième culasse, un deuxième cylindre et un deuxième piston, ledit deuxième piston se déplaçant selon l'axe longitudinal dudit deuxième cylindre dans ledit deuxième cylindre, Ledit carter (23) enveloppant en outre L'espace balayé par ledit deuxième piston, le deuxième espace étant opposé par rapport audit deuxième piston à ladite deuxième chambre, en ce que les déplacements d'au moins Lesdits premiers et deuxièmes pistons sont adaptés pour que la pression dudit fluide dans ledit carter (23) soit sensiblement constante. 4. - Dispositif selon La revendication 3, caractérisé en ce qu'iL comporte un deuxième vérin hydrauLique (6a), ledit premier vérin (6) étant solidarisé avec Ledit premier piston (5), ledit deuxième vérin (6a) étant solidarisé avec Ledit deuxième piston, en ce qu'il comporte des moyens de commance (35) du premier et du deuxième vérin (6, 6a) adaptés à réduire le volume de la première chambre (2) tout en augmentant le volume de La deuxième chambre et adaptés à réduire le volume de la deuxième chambre tout en augmentant le volume de La première chambre (2) et cela alternativement. 5. - Dispositif seLon La revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (35) déclenchent L'augmentation du volume d'une des deux chambres seulement si L'autre des deux chambres a atteint son voLume maximum, et en ce que lesdits moyens de commande (35) décl.enchent une réduction du volume d'une chambre seulement si L'autre des deux chambres a atteint son volume maximum. 6. - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'iL comporte un générateur haute pression (50) débitant un fluide hydraulique sous haute pression et un générateur basse pression (51) débitant un fLuide hydrauLique sous une pression inférieure à- ladite haute pression, ledit générateur haute pression (50) aLimentant chacun desdits vérins (6, 6a) lorsqu'vils produisent une réduction du volume de leur chambre associée (2), ledit générateur basse pression (51) alimentant chacun desdits vérins (6, 6a) lorsqu'ils produisent une augmentation de leur chambre associée (2). 7. - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que Ledit carter (23) est clos et communique seulement avec ladite conduite d'aspiration (13). 8. - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que Ledit carter (23) est clos et communique seuLement avec Ladite conduite de refoulement (19). 9. - Dispositif seLon L'une des revendications 1 à 8, dans LequeL Le premier ou le deuxième vérin (6, 6a) comporte un corps, caractérisé en ce que ledit corps est au-moins partiellement à L'extérieur du carter (23). 10. - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'iL comporte plusieurs chambres de pompage (2) et en ce que lesdites chambres sont en nombre pair. 11. - Dispositif selon L'une des revendications 1 à 10, caractérisé ce que ledit carter (23) est étanche. 12. - AppLication du dispositif selon L'une des revendications 1 à 11, au pompage d'effluents pétroLiers. 13. - Application selon la revendication 12 à la production terrestre ou aquatique desdits effluents, teLle la production marine, Ledit dispositif étant situé au fond d'un mi Lieu aqueux ou en mi lieu terrestre hostile. 14. - Dispositif de pompage de fluide polyphasique, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison une conduite d'alimentation (13) du fluide à pomper et une conduite de refoulement (19) du fluide pompé, au moins une chambre (2) à volume variable adaptée à pomper Ledit fluide, ladite chambre (2) étant définie par une culasse (3), un cylindre (4) et un piston (5), le piston (5) se dépLaçant seLon L'axe longitudinal du cylindre (4) dans Ledit cyLindre (4), en ce que Ledit piston (5) comporte un logement (20) débouchant sur une partie supérieure du piston, et en ce que ladite cuLasse comporte une saiLLie (10) pénétrant dans ledit Logement lorsque ledit piston (5) se rapproche de Ladite culasse (3), Ledit piston (5) et Ladite culasse (3) coopérant ensembLe pour produire un jet de fLuide dirigé vers au moins un orifice d'échappement (15) dudit fluide polyphasique. 15. - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit logement (20) et Ladite saillie (10) ont des formes tronconiques sensiblement complémentaires. 16. - Dispositif selon L'une des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que ledit Logement (20) et ladite saillie (10) sont disposés au voisinage dé L'axe dudit cylindre (4). 17. - Dispositif selon L'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que ladite chambre (2) comporte un orifice d'alimentation (11) du fLuide disposé à un sommet de Ladite sailLie (11). 18. - Dispositif selon L'une des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que Ladite culasse (3) comporte au moins deux orifices d'échappement disposés à des distances sensibLement égales de l'axe dudit cyLindre (4).