Brevet FR2720122A1 — publié le 19951124

La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant d'augmenter la performance du pompage et de la poussée pour des dispositifs dans lesquels on utilise un fluide induit pour entraîner un autre fluide par des transferts directs de moment et d'énergie. Le brevet US-4,485,51 8 de FOA décrit une méthode et un dispositif dans lesquels on effectue un transfert direct d'énergie de manière efficace entre un fluide primaire ou fluide moteur et un fluide que l'on souhaite transférer sur un certaine distance. L'amélioration apportée par FOA par rapport au brevet US3,046,732 du même demandeur consiste à séparer le fluide moteur en deux parties, à éjecter une première partie à travers des orifices situés sur un rotor vers un fluide à transporter, et à utiliser le jet de fluide résultant de la seconde partie du fluide moteur passant par un orifice central pour entrainer la première partie du fluide moteur et le fluide à transporter.Cette manière de procéder minimise les cisaillements pouvant apparaître dans un fluide à la surface d'une pièce mécanique et donc d'éventuels fluides de retour qui diminuent refficacité de pompage d'un tel dispositif. Les roulements et les butées permettant la rotation du rotor sont en contact avec le fluide à transporter. L'utilisation de tels roulements est mal adapté dans des applications pour lesquelles les fluides possèdent des énergies élevées. En effet, la vitesse de rotation du rotor associée au sens unique d'éjection de fluides possédant des valeurs de puissance élevées, conduisent à une usure rapide des roulements et des butées. De plus la présence de particules, par exemple des particules solides telles que du sable, diminuent la fiabilité d'un tel dispositif. La présente invention vise à pallier de tels inconvénients et notamment à améliorer la durée de vie des pièces permettant d'assurer la rotation d'un rotor par rapport à une enveloppe où il se trouve positionné lorsque les fluides utilisées possèdent des puissances élevées. Ainsi la présente invention a pour objet une machine simple, robuste et fiable permettant d'améliorer les dispositifs de poussée et de pompage, notamment en évitant l'usure de pièces sollicitées par des poussées axiales importantes résultant de fluides ayant des énergies élevées. Elle peut notamment être utilisée dans le domaine de la production de bruts lourds. En accord avec la présente invention, le dispositif permettant d'obtenir un tel résultat comporte en combinaison une pièce libre de tourner autour d'un axe comportant au moins deux éjecteurs, ladite pièce étant reliée à un conduit d'introduction d'un fluide moteur sous pression, une enveloppe fixe positionnée autour de ladite pièce libre de tourner de manière à créer un espace de mélange entre ledit fluide moteur et un fluide primaire, ladite pièce étant munie d'au moins un orifice d'introduction dudit fluide primaire dans l'espace de mélange. II est caractérisé en ce qu'il comporte un premier éjecteur propulsant ledit fluide moteur dans une direction et au moins un second éjecteur propulsant ledit fluide moteur dans une seconde direction de façon que la poussée axiale induite par un jet émis dans la première direction compense au moins partiellement celle d'un jet émis dans la seconde direction par un autre éjecteur. La pièce libre de tourner est, par exemple, maintenue par rapport à un conduit central d'introduction du fluide moteur à l'aide de paliers et de butées fluide. Le nombre d'éjecteurs peut être choisi en fonction d'au moins une caractéristique du fluide moteur. Le dispositif peut comporter un dispositif de prélèvement du fluide primaire relié au conduit d'introduction dudit fluide moteur. La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 d'introduction du fluide à pousser sont, par exemple, déterminés à partir d'au moins une caractéristique du fluide primaire. La présente invention concerne aussi une méthode permettant de communiquer à un fluide primaire une certaine énergie par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et ledit fluide primaire. Elle est caractérisée en ce que l'on éjecte ledit fluide moteur simultanément dans une première direction et une seconde direction de façon que la poussée induite par un jet émis dans la première direction équilibre sensiblement un jet émis dans la seconde direction. La méthode et le dispositif de mise en oeuvre de la méthode est particulièrement bien appliquée au pompage d'un fluide polyphasique comportant une phase gazeuse, et une phase liquide, notamment le pompage d'un effluent de type pétrolier provenant d'un puits. Les différents avantages apportés par l'invention résident notamment dans une augmentation de la durée de vie de pièces mises en rotation, par exemple par des fluides ayant des valeurs de pression très élevées. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les figures suivantes parmi lesquelles: - la figure 1 illustre rart antérieur constituant le brevet US 4,239,155, et - La figure 2 illustre un mode de réalisation préférentiel selon l'invention. L'art antérieur décrit sur la figure 1 comporte un dispositif à jets toumant dans lequel un fluide moteur sous pression P est introduit par un conduit 1' dans un rotor 2' dans lequel une partie majoritaire du fluide moteur ressort à travers des éjecteurs 3' situés sur le rotor sous forme de jets ayant une direction inclinée pour que les jets ainsi obtenus mettent et maintiennent en rotation le rotor 2'. Le rotor est supporté par une enveloppe extérieure fixe 7' par l'intermédiaire de roulements 8' assurant la rotation du rotor 2'.Une autre partie du fluide moteur passe à travers un conduit central 10' pour être ensuite mélangé à un fluide auxiliaire introduit par des orifices situés dans renveloppe r. Un espace d'interaction 5' permet le mélange de la partie dérivée par les éjecteurs 3' et du mélange passant délivré par le jet central J avec le fluide primaire K. Un tel dispositif est mal adapté lorsque le fluide moteur utilisé possède une pression élevée et lorsque la vitesse de rotation du rotor est élevée, du fait de la présence de roulements qui s'usent très rapidement du fait du mouvement de rotation et de la puissance des jets. La figure 2 montre un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention qui améliorent l'art antérieur précité, notamment en minimisant l'usure des pièces mises en rotation. Le dispositif selon l'invention est par exemple positionné dans une conduite ou casing'l dans lequel circule un fluide appelé par la suite fluide primaire auquel on veut communiquer une certaine énergie pour le transférer d'un endroit à un autre et maintenu en place par rapport à cette conduite à l'aide d'une pièce 2. Le dispositif est maintenu par rapport au"casing"l à l'aide d'une pièce 2 et comporte un conduit interne 3 dans lequel un fluide moteur sous pression provenant d'une source extérieure non représentée est introduit. Une pièce 5 ayant de préférence une forme d'enveloppe cylindrique est positionnée par exemple de façon coaxiale au conduit 3. Le diamètre interne de l'enveloppe cylindrique 5 étant supérieure au diamètre externe du conduit 3, cela crée un espace annulaire entre les deux pièces. Les orifices 7 percés sur le conduit 3 laissent passer le fluide moteur vers cet espace annulaire. La liaison de la pièce 5 par rapport à la conduite 3 est assurée, par exemple, un ensemble 6 formé par exemple par un palier fluide et une butée fluide, ce type de paliers et de butées minimisant les frottements existant entre les pièces en rotation. La pièce 5 comporte aussi au moins deux moyens, tels que des éjecteurs 8a et 8b, permettant d'éjecter le fluide moteur vers le fluide primaire circulant dans le casing^1. Une enveloppe fixe 9 cylindrique, est disposée, de préférence de manière coaxiale à la pièce 5 et maintenue, par rapport à cette dernière par exemple grace à une pièce 10 assurant son centrage inférieur et une pièce 11 assurant son centrage supérieur. La pièce 5 et l'enveloppe 9 sont positionnées de façon à créer un espace de mélange 12. Dans cet espace 12 le fluide moteur introduit par les éjecteurs 8a et 8b sous forme de deux sous-fluides F1 et F2, les quantités de F1 et F2 étant sensiblement identiques se mélange au fluide primaire circulant dans le JcasingY1, introduit dans l'espace de mélange 12 comme il est décrit ci-après, formant ainsi deux sous mélanges ayant des directions de circulation dans l'espace 12 sensiblement opposées. Une pièce 15, tel qu'un tubing, forme la paroi extérieure du dispositif. Elle est pourvue d'orifices 14 communiquant avec les orifices 13 grace par exemple à des inserts 16 reliant un orifice 13 à un orifice 14. Ainsi le fluide primaire circulant dans le casingS1 passe de cette conduite 1 à travers un orifice 14, un insert 16 et un orifice 13, pour pénétrer dans l'espace de mélange 12, les trois pièces 13, 14 et 16, étant de préférence, alignées. Lorsque la pièce 2 est un "packer étanche", isolant la pièce 15 du casing*1, I'écoulement de retour se fait, par exemple, dans l'espace annulaire 19 compris entre lecasing 1 et le conduit interne 3 d'arrivée du fluide moteur. Pour une pièce 2 de centrage du tubing 15 dans lecasing'1, I'écoulement se fera dans l'espace annulaire lb compris entre le '\ubing"15 et le conduit inteme 3, pouvant être un "coii tubing". Les deux sous-fluides r, oteur F1 et F2 aspirent le fluide primaire introduit dans l'espace 12 et l'entraînent en formant deux sous-mélanges M1 et M2 ayant des directions de circulation sensiblement opposées. Les deux sous-mélanges passent dans espace commun 18 formé par les pièces 9 et 15 d'une part, et les pièces 3 et 9 d'autre part, chacun par une des extrémités opposées de l'espace 12, pour s'écouler dans la conduite 1 ou dans une conduite (il), par exemple reliant l'espace 12 à la conduite 1. La pièce 15 est reliée au conduit central du dispositif 3, par exemple, par l'intermédiaire d'une pièce 17 assurant notamment l'étanchéité des différentes pièces du dispositif entre elles. L'agencement des pièces entre elles et l'étanchéité ainsi obtenue sont tels que le fluide moteur passe principalement par les éjecteurs 8a et 8b en deux sous fluides F1 et F2, et la majorité des sousmélanges M1 et M2 passent de l'espace de mélange 12 vers l'espace annulaire 18 ou lb. Les éjecteurs 8a et 8b font, par exemple, un angle avec l'axe longitudinal du dispositif, respectivement alpha et (180 - alpha), de manière que les jets de fluide moteur éjectés dans l'espace de mélange situé entre les pièces 5 et 9, par les éjecteurs 8a possèdent une direction sensiblement opposée à celle des jets de fluide moteur passant par les éjecteurs 8b. Cette manière de procéder permet d'équilibrer la poussée de fluide résultant de l'énergie élevée des jets provenant des éjecteurs 8a par celle des fluides provenant des éjecteurs 8b. L'angle d'inclinaison alpha des éjecteurs, combiné au mouvement de rotation de la pièce 2, induit la formation de jets de fluide moteur, ayant par exemple, une forme hélico-ldale. Ces jets ont ainsi une fonction sensiblement identique à la fonction de pâles mécaniques habituellement utilisées dans les dispositifs de poussée. Le nombre des jets de fluide moteur est, de préférence, un nombre pair, conférant au dispositif une symétrie qui équilibre sensiblement les poussées résultant de la puissance des jets du fluide moteur, telles que les poussées axiales. La forme intérieure de la pièce est arrondie au moins en partie à une de ses extrémités 15a et 15b, par exemple à l'extrémité située au voisinage de la pièce 17, pour que les formes 1 Sa et 1 5b associées à la forme de la pièce 17 et à la paroi interne 15c de la pièce 15, pour que le passage du sous-mélange M1 ou M2 de l'espace 12 vers espace 18 ou 1 b s'effectue en minimisant les pertes de charge et en évitant le cisai!lement. L'utilisation d'un tel système symétrique comportant au moins deux éjecteurs disposés de la manière décrite ci-dessus, minimise le déséquilibre résultant de la poussée, par exemple la poussée axiale, qui peut être importante lorsque les fluides ont des valeurs de pression importante. Le nombre des jets créés pour propulser le fluide primaire est fonction de l'énergie à transmettre au fluide primaire car on limite volontairement la vitesse de sortie des jets moteurs pour diminuer fortement les phénomènes d'usure par abrasion et éviter les phénomènes de cavitation, tous deux préjudiciables à une bonne fiabilité du dispositif. L'angle d'inclinaison des éjecteurs 8a et 8b par rapport à raxe du dispositif peut être choisi en fonction de la vitesse de rotation souhaitée pour les jets de fluide moteur afin d'obtenir le rendement énergétique optimal entre le fluide moteur et le fluide primaire. La proportion de fluide moteur généralement de faible viscosité par rapport au fluide primaire dépend de la viscosité de ce dernier afin d'obtenir un mélange transportable sans perte de charges excessives liées à la viscosité du mélange. La proportion de fluide moteur introduit dans l'espace de mélange 12 est contrôlée, par exemple, par le nombre d'orifices positionnés sur le conduit inteme 3 fixe et par le nombre d'éjecteurs 8a et 8b. II est possible de contrôler l'introduction du fluide primaire par le nombre d'orifices 13 et 14 mais cette possibilité n'est pas utilisée quand on veut augmenter la pression du fluide primaire car on crée une perte de charge supplémentaire dans ces orifices. Par contre, pour des fluide primaires visqueux, cette possibilité peut permettre une meilleure fluidité du mélange si la disponibilité en fluide moteur est limitée. La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 est déterminée en fonction de la nature du fluide à pousser et de la pression de ce fluide. Ainsi pour un fluide polyphasique de type pétrolier il est souhaitable de tenir compte de la présence éventuelle de particules solides. Le fluide moteur peut être un fluide de type miscible ou non. II peut inclure des produits tels des inhibiteurs habituellement utilisés, par exemple, dans le domaine pétrolier, par exemple des produits anticorrosion, des anti hydrates, des produits capables d'éviter la formation des asphaltènes ou de tout autres dépots résultant, notamment des changements de pression et de température. La présence de tels produits améliore la fibilité des dispositifs de pompage. Le fluide moteur peut être prélevé à partir du fluide primaire circulant dans la conduite 1. Dans ce cas, le dispositif comporte un système permettant de prélever une certaine quantité de fluide primaire et de le porter à une valeur de pression suffisante pour qu'il puisse servir de fluide moteur (recyclage). Le présent dispositif peut être positionné à l'extrémité, par exemple d'un "coil-tubingintroduit dans des puits verticaux ou horizontaux d'effluents de type pétrolier. II peut aussi être utilisé comme "booster"dans une conduite permettant de transporter des effluents d'un endroit à un autre le transfert d'un effluent pétrolier d'une source vers un lieu de traitement. Dans un tel exemple d'application, le dispositif comporte une conduite latérale d'arrivée du fluide moteur reliée au conduit interne 3 de la figure 2 de façon à permettre l'installation du dispositif selon l'invention au niveau de la conduite de transfert d'effluents, par exemple entre deux éléments de conduite. Bien entendu, rhomme de l'art sera en mesure d'imaginer à partir de la description qui vient d'être donnée à titre illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de rinvention. REVENDICATIONS 1) Dispositif de pompage à échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide primaire ou fluide pompé comportant en combinaison une pièce libre de tourner (5) autour d'un axe comportant au moins deux éjecteurs, ladite pièce (5) étant reliée à un conduit d'introduction (3) d'un fluide moteur sous pression, une enveloppe fixe (9) positionnée autour de ladite pièce libre de tourner (5) de manière à créer un espace de mélange (12) entre ledit fluide moteur et ledit fluide primaire, ladite pièce étant munie d'au moins un orifice d'introduction dudit fluide primaire dans l'espace de mélange, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier éjecteur (8a) propulsant ledit fluide moteur dans une direction et au moins un second éjecteur (8a) propulsant ledit fluide moteur dans une seconde direction de façon que la poussée induite par un jet émis dans la première direction compense au moins partiellement celle d'un jet émis dans la seconde direction par un autre éjecteur. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce libre de toumer est maintenue par rapport à un conduit central d'introduction du fluide moteur à raide de paliers et de butées fluides. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'éjecteurs est pair et en ce que le nombre d'éjecteurs est choisi en fonction d'au moins une caractéristique du fluide moteur. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de prélèvement du fluide primaire relié au conduit d'introduction dudit fluide moteur. 5) Méthode permettant de communiquer à un fluide primaire une certaine énergie par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et ledit fluide primaire, caractérisée en ce que l'on éjecte ledit fluide moteur sensiblement simultanément dans une première direction et une seconde direction de façon à ce que la poussée induite par un jet émis dans la première direction équilibre sensiblement celle d'un jet émis dans la seconde direction. 6) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications précédentes au pompage d'un fluide polyphasique comportant une phase gazeuse, une phase liquide et une phase solide, telle que du sable. 7) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications précédentes au pompage d'un effluent de type pétrolier provenant d'un puits.