Brevet FR2642539A1 — publié le 19900803

La présente invention concerne un dispositif de régulation et d'amortissement des fLuctuations de composition d'un écoulement polyphasique. Selon L'art antérieur, il est nécessaire d'utiliser des systèmes de vannage à réglage proportionnel, des détecteurs précis et des moyens de pilotage des systèmes de vannage pour obtenir La réguLation et L'amortissement des fluctuations mentionnées précédemment. Or de tels éléments sont coûteux et fragiles. Ils s'adaptent mal aux conditions de fonctionnement difficiles telles celles rencontrées au fond de l'eau, notamment dans le cadre de l'exploitation de puits pétroliers sous-marins. La présente invention propose un système simple et robuste ne nécessitant pas l'utilisation de système de vannage à réglage proportionnel, ni l'utilisation de moyens de pilotage compliqués. Selon la présente invention, on utilise un réservoir dans lequel est introduit le mélange polyphasique et des moyens de prélèvement qui s'étendent sur une certaine hauteur non nulle dans ce réservoir et comportent des ouvertures réparties sur cette hauteur. Ainsi, pour une position donnée de l'interface liquide-gaz correspond un rapport T de la section de passage de liquide à la section de passage de gaz. Une variation du niveau de l'interface provoque une variation du rapport T qui a tendance à rétablir l'équilibre à un niveau de référence ou d'équilibre. On obtient ainsi une autorégulation du niveau et un amortissement des fluctuations de La composition du mélange poeyphasique délivré par le dispositif selon l'invention. Dans la présente invention, il faut bien comprendre que le terme interface peut désigner une surface moyenne de séparation entre une phase gazeuse et une phase Liquide. En effet, il peut exister dans les mélanges polyphasiques contenus dans un réservoir une zone où la distinction entre la phase liquide et la phase gazeuse est floue, notamment du fait de la présence de mousse. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de régulation et d'amortissement des fluctuations de composition d'un écoulement polyphasique comportant au moins une phase liquide et une phase gazeuse. Ce dispositif comporte un réservoir de séDaration des phases, le réservoir comporte au moins une ouverture d1 arrivée du mélange polyphasique, et des moyens de prélèvement du contenu de ce réservoir.Le dispositif se caractérise en ce que les moyens de prélèvement s'étendent dans le réservoir de manière â traverser l'interface liquide-gaz en fonctionnement normal, et en ce que les moyens de prélèvement comportent des ouvertures de prélèvement réparties de part et d'autre de l'interface en fonctionnement normal, la somme des sections de passage des ouvertures estimée à partir d'une position de référence sur au moins une portion d'un axe vertical varie en fonction de la côte, considérée sur Ledit axe et pour ladite portion, ladite portion s'étendant en fonctionnement normal de part et d'autre de ladite interface. Les moyens de prélèvement pourront comporter au moins un tube de prélèvement et les ouvertures de prélèvement pourront être réparties sur ce tube. Le tube de prélèvement pourra comporter au moins une sortie commune pour la phase liquide et la phase gazeuse. Le tube de prélèvement pourra comporter au moins deux sorties distinctes dont l'une préleve une phase riche en liquide. Le tube de prélèvement pourra comporter au moins deux sorties distinctes dont l'une préleve une phase riche en gaz. Lorsque l'on considère des conditions moyennes stables de l'écoulement diphasique en amont dudit dispositif, la section de passage de l'ensemble des ouvertures se trouvant dans la phase gazeuse au-dessus du niveau de l'interface liquide-gaz, et la section de passage de L'ensemble des ouvertures se trouvant dans la phase liquide au-dessous dudit niveau moyen, pourront être dans le rapport des débits volumiques moyens des phases liquide et gaz. Le dispositif selon la présente demande pourra comporter des moyens de mesures des débits des phases liquide et/ou gazeuse provenant du tube de prélèvement. La présente invention concerne également L'application du dispositif décrit précédemment à la régulation de l'alimentation d'une pompe polyphasique. Dans cette application, le dispositif pourra comporter des moyens auxiliaires utilisables temporairement, ces moyens modifiant la quantité de liquide et/ou de gaz prélevé. Le dispositif pourra comporter au moins une canalisation auxiliaire d'injection d'une phase liquide, et/ôu au moins une canalisation auxiliaire d'injection d'une phase gazeuse. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement Limitatifs, illustrés par les figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente un premier mode de réalisation comportant des moyens de prélèvement ayant une seule sortie, - la figure 2 montre un autre mode de réalisation pour lequel les moyens de prélèvement possèdent deux sorties, - les figures 3 et 4 représentent deux variantes de réalisation des trous de prélèvement, - les figures 5, 6 et 7 illustrent différents types de lois de variation du niveau N de l'interface gaz-liquide en fonction du rapport T des sections de passage de liquide et de gaz, - les figures 8, 9 et 10 concernent un réservoir comportant trois compartiments et rassemblant la production provenant de deux sources différentes, et - la figure 11 montre le dispositif selon l'invention appliqué à. l'exploitation d'un puits pétrolier sous-marin. La référence 1 désigne le tube d'arrivée d'un mélange polyphasique dans un réservoir 2 de transfert. Ce réservoir comporte un tube de prélèvement 3. Ce tube comporte des trous 4 répartis sur sa Longueur. Le tube 3 est raccordé à un tube 5 de sortie du mélange polyphasique vers le lieu de destination. La référence 6 désigne l'interface gaz-liquide. Dans le cas d'exploitation pétrolière, le tube 1 peut être le tube de collecte de La production d'un ou de plusieurs puits, notamment de puits sous-marins et le tube de sortie 5 peut être dirigé vers l'entrée d'une pompe polyphasique servant à acheminer l'effluent vers un site de traitement. La figure 2 représente un autre mode de réalisation. Les éléments communs aux figures 1 et 2 portent les mêmes références. Le tube de prélèvement 7 traverse de part en part le réservoir dans le sens de La hauteur et possède deux sorties, l'une basse 8 et l'autre haute 9 connectées respectivement à un tube d'acheminement bas 10 et un tube d'acheminement haut 11. Ces deux tubes se rejoignent en 12 et le mélange résultant est transféré par le tube 13. Les tubes d'acheminement 10 et Il peuvent comporter des moyens de mesure permettant de mesurer le débit passant dans chacun de ces tubes. Une telle mesure peut permettre d'optimiser Le fonctionnement d'éventuels équipements aval traitant le mélange résultant. De tels équipements peuvent etre une pompe diphasique dont la vitesse de rotation peut être réglée en fonction des mesures de débit mentionnées précédemment. Le tube d'acheminement bas 10 transfère un effluent essentiellement liquide alors que c'est l'effluent essentiellement gazeux que transporte le tube d'acheminement haut 11. Les moyens de mesure de débits 14 et 15 passant respectivement dans les tubes d'acheminement bas 10 et haut 11 n'ont pas besoin d'être très précis. Le fonctionnement du dispositif selon les modes de réalisation des figures I et 2 est donné ci-après. Le réservoir ou ballon régulateur diphasique 2 a pour but de réduire les variations de GOR que l'on peut observer dans un écoulement diphasique intermittent (écoulement à bouchons de Liquide et à poches de gaz), de transformer un écoulement à bouchons en un écoulement à bulles (écoulement homogène), de disposer d'une réserve de liquide suffisante pour évacuer une quantité important de gaz. Par GOR, on entend le rapport de volume de gaz au volume de liquide (en anglais "Gas Oil Ratio"). Le ballon est un équipement statique qui permet de transformer une variation de GOR du fluide à l'entrée en une variation de niveau dans le ballon, cette variation de niveau pouvant être de faible amplitude (cas d'un ballon cylindrique à axe horizontal) ou d'amplitude plus forte (cas d'un ballon cylindrique à axe vertical). De plus, la quantité de liquide retenue dans le ballon peut constituer une réserve utilisable pour mouiller une poche de gaz sec importante (plusieurs mêtres cubes) et l'évacuer avec un GOR permettant d'obtenir un gain de pression suffisant avec un système de pompage diphasique. Ce ballon peut servir également à recevoir, en cas d'utilisation d'un recycleur de phase, la phase liquide ou gazeuse extraite du mélange diphasique à la sortie de l'unité de compression. Dans le cadre d'une application pétrolière, ce ballon peut aussi servir à séparer une partie de l'eau contenue dans l'effluent pétrolier, et à séparer une partie du sable contenu dans l'effluent pétrolier. Ce ballon est équipé d'un tube percé permettant la sortie du mélange diphasique. L'évacuation du fluide diphasique séparé ou partiellement séparé dans le ballon, est faite par le tube percé 3 ou 7 selon que l'on considère le mode de réalisation de la figure 1 ou 2, placé verticalement dans le ballon 2. Ce tube permet d'évacuer le liquide proportionnellement au niveau de l'interface 6 dans le ballon, c'est-à-dire proportionnellement à la section de passage immergée SL. De même, le gaz est évacué proportionnellement à la section de passage non immergée SG. Si on appelle Pi, la pression statique dans le ballon au niveau d'un orifice i du tube percé et Ps la pression du fluide à la sortie du tube percé, les débits de sortie du liquide et du gaz sont donnés par la relation Pi - Ps = f(Qi) Qi : débit de fluide passant au travers d'un orifice i. La fonction f(Qi) prend en compte la perte de pression au travers de orifice (ou le gain de pression donné par le fluide descendant -effet éjecteur-), la perte de charge Linéaire dans le tube, ainsi que les pertes de charge dues aux jonctions (orifices suivants). Bien que l'expression analytique de la fonction f(Qi) ne soit pas connue, on imagine aisément que la section de passage (section des orifices) nécessaire à L'évacuation d'un volume de liquide doit être plus importante que la section de passage nécessaire à l'évacuation d'un volume de gaz. Donc la densité de trou à la partie inférieure du tube percé sera plus importante qu'à la partie supérieure de ce tube (sauf cas de fonctionnement à GOR très élevé ou à pression élevée). Le dimensionnement du tube de sortie sera fait de préférence de façon à ce que la plage normale de variation du niveau soit située au milieu du ballon. Ceci peut être réalisé après expérimentation. Des essais du dispositif selon l'invention ont montré qu'il était possible d'absorber des variations brutales de GOR pouvant survenir à la sortie d'une conduite et de délivrer un fluide diphasique dont la masse volumique est pratiquement constante et égale à la masse volumique moyenne du fluide à l'entrée du ballon (moyenne dans le temps). De plus, ce ballon peut constituer une réserve de liquide destinée à évacuer, par la pompe diphasique, une poche de gaz sec très importante (cette poche de gaz peut apparaître au cours des des phases de démarrage de puits). La figure 3 représente de maniére développée un mode de réalisation du tube de prélèvement dans lequel sont pratiqués des trous circulaires 16. On constate que dans ce mode de réalisation, la densité de trous est la plus importante au voisinage 17 de la zone centrale du tube. Toutefois, la zone centrale en elle-même 18 ne comporte pas de trou, de manière à ne pas répercuter les variations de GOR tant que le niveau de l'interface gaz-liquide ne s'est pas déplacé d'une certaine valeur. La figure 4 donne un autre mode de réaisation du tube de prélèvement qui est représenté de manière développée. Les ouvertures de prélèvement ont la forme de triangle 19. Ainsi, il apparait que la forme des ouvertures importe peu Ce qui importe#, ce sont les variations du T en fonction de cote moyenne de l'interface dans le réservoir. La figure 5 représente trois lois de variations du rapport T: section de passage du liquide T = section de passage du gaz en fonction du niveau N de l'interface dans le réservoir. La courbe 20 est une courbe composée de trois segments de droite 21, 22 et 23. La portion 22 correspond à une zone pour laquelle une variation de niveau de l'interface n'entraîne pas une grande variation de la composition du mélange résultant. Au-delà de cette zone, il y a une variation du GOR du mélange prélevé qui répercute dans une certaine mesure les variations de GOR à L'entrée du ballon. La courbe 24 comporte égaLement trois zones 25, 26 et 27. La zone 26 correspond à un fonctionnement sensiblement similaire à celui de la zone 22 de la courbe 20.Le fonctionnement obtenu par la courbe 24 correspond à un rétablissement rapide du niveau de l'interface vers Le niveau consigne 28 puisqu'une fois la zone 26 déposée que ce soit dans un sens ou dans l'autre, il y a une variation rapide de T qui tend à éliminer rapidement Le surpLus d'eau ou de gaz selon Le cas. La courbe 29 quant à elle correspond à une loi qui favorise le démarrage d'un puit. Le profil des perforations sur le tube percé est lié à la durée et l'amplitude des perturbations à l'entrée, à la position du niveau moyen donnant le GOR moyen de sortie souhaité, et à la variation de GOR admissible en sortie. Une pente élevée en haut 32 ou en bas 32 du tube permet d' 'économiser" du gaz ou du liquide dans Le réservoir. La figure 6 représente le cas d'une loi ayant trois plages 33, 34 et 35 de régulation à faible répercution des variations du GOR à l'entrée correspondant à trois niveaux de GOR différents. Une telle Loi peut être intéressante dans le cas, par exemple, où l'on exploite deux puits différents simultanément. Ces différentes plages peuvent être déterminées en fonction des caractéristiques de chacun des puits et des différents schémas d'exploitation retenus. Par exemple, la plage 33 peut correspondre a la régulation lorsque seul le puit 1 produit, la plage 35 lorsque seul le puit 2 produit, et la plage 34 lorsque Les deux puits 1 et 2 produisent simultanément. La figure 7 représente de manière schématique l'influence de la pente de la courbe de variation de T = SL/SG en fonction du niveau. Lorsque La pente tend vers l'infini, cas de la pente 36, les variations de niveau n'ont aucune répercussion sur le GOR de sortie. Lorsque la pente est positive et égale à une valeur finie, cas de La pente 37, les variations de niveau donnent une variation du GOR de sortie. Pour une même variation du niveau, plus la pente est petite et plus la variation du GOR sortie sera grande. La pente nulle, cas 38, correspond au cas extrême du déversoir. Dans le cas où le ballon est horizontal et qu'il présente une section circulaire et si le niveau moyen est au milieu du ballon, une perturbation du GOR à l'entrée du ballon va conduire à une variation faible du niveau donc à une variation faible du GOR de sortie (pour des perforations données) le niveau varie moins vite lorsque l'on est dans la grande "largeur" que lorsque l'on est en haut ou en bas du ballon. La figure 8 représente un réservoir 39 comportant deux cloisons 40 et 41 qui partagent le réservoir en trois compartiments 42, 43 et 44. Le compartiment central 44 correspond avec les cloisons 40 et 41 au moyen de prélèvements. Le compartiment 42 reçoit en 45 la production d'une première source d'effluent diphasique, tel qu'un premier puits et le compartiment 43 reçoit en 46 la production d'une deuxième source d'effluent diphasique, tel qu'un deuxième puits. La référence 47 désigne une conduite d'égalisation des pressions entre les compartiments 42 et 43. Les flèches 48 et 49 correspondent à des conduites d'acheminement basse et haute connectées aux moyens de prélèvement. La figure 9 montre un mode de réalisation de la cloison 40 qui comporte des trous circulaires 50. La figure 10 montre un mode de réalisation de la cloison 41 qui comporte des trous 51 ayant sensiblement la forme de la lettre K. La figure Il montre le dispositif selon l'invention appliqué à la production d'un effluent pétrolier diphasique produit par un puits sous-marin 52 équipé d'une tête de puits 53, d'une duse de réglage 54, d'une ligne d'évacuation 55 alimentant un ballon 56 selon la présente invention ayant des moyens de prélèvement 57 à deux sorties qui se rejoignent en 58 pour alimenter l'unité de pompage diphasique 59. L'effluent pompé peut être traité dans un séparateur 60 recyclant une partie de la phase liquide dans le réservoir 56 grâce à la Ligne de recycLage 61. La référence 62 désigne Le pipeLine de transfert de la production. Les sorties haute 63 et basse 64- du réservoir 56 peuvent être équipées de moyens de mesure de débit, 65 et 66 respectivement et de vannes tout ou rien télécommandées 67 et 68 assurant un contrôle de fonctionnement de l'installation. Par ailleurs, le dispositif peut comporter une ligne annexe 69 de prélèvement de la phase essentiellement liquide, cette ligne comportant une vanne tout ou rien 70. Cette ligne sera avantageusement utilisée pour remplir le réservoir 56 de liquide avant l'arrêt de la production. Cette réserve de liquide assurera un amorçage facile de l'installation lors du redémarrage de l'installation. Ce résultat est obtenu en fermant la vanne 68 et en ouvrant La vanne 70 avant L'arrêt de La production. L'ensemble vanne 70 et ligne annexe 69 à une perte de charge calibrée permettant le fonctionnement de La pompe 59 avec une quantité de liquide minimum. Ainsi, pendant cette phase de fonctionnement, le niveau de liquide monte dans le réservoir 56. R E V E N D I C A T I O N S 1. - Dispositif de régulation et d'amortissement des fluctuations de composition d'un écoulement polyphasique comportant au moins une phase Liquide et une phase gazeuse, ledit dispositif comportant un réservoir de séparation desdites phases, ledit réservoir comportant au moins une ouverture d'arrivée du mélange polyphasique, et des moyens de prélèvement du contenu de ce réservoir, caractérisé en ce que Lesdits moyens de prélèvement (3, 7, 40, 41) s'étendent dans ledit réservoir (2, 39, 56) de manière à traverser l'interface liquide-gaz (6) en fonctionnement normal, et en ce que lesdits moyens de prélèvement comportent des ouvertures de prélèvement (4, 16, 19, 50, 51) réparties de part et d'autre de ladite interface en fonctionnement normal, la somme des sections de passage desdites ouvertures estimée à partir d'une position de référence sur au moins une portion d'un axe vertical variant en fonction de la côte, considérée sur ledit axe et pour ladite portion, ladite portion s'étendant en fonctionnement normal de part et d'autre de Ladite interface. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement comportent au moins un tube (3, 7) de prélèvement et en ce que les ouvertures de prélèvement sont réparties sur ledit tube. 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que Ledit tube de prélèvement comporte au moins une sortie commune pour la phase Liquide et la phase gazeuse (Fig. 1). 4. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que Ledit tube de prélèvement comporte au moins deux sorties distinctes dont l'une prélèveune phase riche en liquide (Figs 2, 8, 11). 5. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que Ledit tube de prélèvement comporte au moins deux sorties distinctes dont L'une prélève une phase riche en gaz. 6. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour des conditions moyennes stables de l'écoulement diphasique en amont dudit dispositif, La section de passage de l'ensemble des ouvertures se trouvant dans La phase gazeuse au-dessus du niveau de l'interface liquide-gaz, et la section de passage de l'ensemble des ouvertures se trouvant dans la phase liquide au-dessous dudit niveau moyen, sont dans le rapport des débits volumiques moyens des phases liquide et gaz. 7. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des débits des phases liquide et/ou gazeuse (14, 15) provenant dudit tube de prélèvement. 8. - Application du dispositif décrit dans l'une des revendications 1 à 7 à la régulation de l'alimentation d'une pompe polyphasique (59). 9. - Application selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte des moyens auxiliaires utilisables temporairement (69, 70), lesdits moyens modifiant La quantité de liquide prélevé. 10. - Application selon la revendication 8, caractérisé en ce que Ledit dispositif comporte des moyens auxiliaires utilisables temporairement, lesdits moyens modifiant la quantité de gaz prélevé. 11. - Application selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte au moins une canalisation auxiliaire d'injection d'une phase liquide, et/ou au moins une canalisation auxiliaire d'injection d'une phase gazeuse.