Brevet FR2724200A1 — publié le 19960308

STATION DE POMPAGE SOUS-MARINE A GRANDE PROFONDEUR POUR MELANGE PETROLIER DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne le pompage des produits et de n.élanges pétroliers issus de gisements sous-marins. Ces mélanges contiennent généralement un peu de liquide et beaucoup de gaz. L'invention est donc constituée d'éléments destinés à une station de pompage sousmarine polyphasique pour expédier à haute pression un mélange de pétrole, de gaz de pétrole, d'eau salée et de particules solides. Cette station est placée à proximité immédiate de la tête du puits, mais doit être commandée du rivage. On prévoit de construire des stations pouvant être immergées jusqu'à 2000 mètres de profondeur. Art antérieur et problèmes posés A l'aide des moyens traditionnels de pompage sousmarins, on peut pomper un mélange pétrolier issu d'une tête de puits placée à 1000 mètres de profondeur. A partir de cette profondeur, plusieurs problèmes se posent pour de telles stations de pompage. En effet, il est indispensable de pouvoir pomper à vitesse variable le mélange en fonction de la teneur en gaz de ce dernier. L'unité de pompage doit donc pouvoir être commandée à distance de manière à ce que cette vitesse soit variable. Or, lors de l'utilisation d'un convertisseur de fréquence non placé à côté d'un moteur électrique rapide immergé à 2000 mètres, des pertes de courant et des parasites se produisent dans la transmission et la commande du moteur n' est plus fiable, voire impossible.Ceci est dû à la traversée sur une grande distance d'un milieu aqueux d'une ligne électrique à fréquence variable. Une solution consisterait à immerger le convertisseur à proximité du moteur rapide, mais de nombreux problèmes techniques se posent pour installer à grande profondeur les appareils de commande et le moteur électrique en question. Par exemple, il est cifficile d'installer un système de refroidissement pour les tyristors utilisés dans le convertisseur. D'autre part, pour des puissances importantes (plusieurs MWatts) le rotor du moteur rapide qui doit fonctionner en immersion dans un fluide de refroidissement génère des pertes par frottement considérables. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant une station de pompage sousmarine pouvant fonctionner à 2000 mètres de profondeur et destinée à pomper un mélange pétrolier. Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est une station de pompage sous-marine à grande profondeur pour pomper un mélange pétrolier. Elle comprend - au moins un moteur - une pompe actionnée par le moteur avec une entrée du mélange pétrolier et une sortie de ce même mélange pétrolier ; et - des moyens de commande placés en surface. Selon l'invention, le moteur est un moteur électrique lent à vitesse fixe entraînant un moteur hydraulique ou une turbomachine hydraulique à vitesse variable ou des servocommandes sur les pompes elles-mêmes hydrauliques. Elle comprend au moins une servovalve en amont du moteur hydraulique et en aval du moteur électrique commandée par les moyens de commande placés en surface. Dans la réalisation préférentielle de l'invention, le moteur électrique entraîne une pompe à huile placée à la sortie de ce même moteur électrique pour entraîner hydrauliquement à vitesse variable le moteur hydraulique. L'invention se complète avantageusement d'un ballon tampon placé en aval de la pompe avec une sortie de retour à la pompe et une sortie d'évacuation du mélange suffisamment gazé. La pompe est de préférence constituée de demipompes montées mécaniquement en opposition et possédant chacune une entrée du mélange pétrolier. Dans ce cas, on équipe cet ensemble d'un échangeur dont l'entrée est connectée sur la sortie de retour du ballon tampon et dont la sortie débouche à l'entrée des deux demipompes. On complète dans ce cas le système par un densimètre sur la canalisation d'arrivée du mélange pétrolier et à la sortie de l'échangeur. Un bain d'huile est de préférence prévu dans lequel baignent le moteur électrique et la pompe à huile. Dans ce cas, on utilise également un dispositif auxiliaire d'alimentation en huile pour envoyer de l'huile dans le bain d'huile, à la pompe à huile du moteur hydraulique et aux paliers des deux demi-pompes. Enfin, on peut également utiliser un dispositif pour résorber les bouchons sur la canalisation d'arrivée du mélange pétrolier. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée d'une réalisation de l'invention, illustrée de deux figures. La figure 1 représente la station selon l'invention au fond de la mer. La figure 2 représente schématiquement la station selon l'invention. Lescription détaillée d'une réalisation de l'invention En référence à la figure 1, on a représenté l'installation de pompage selon l'invention avec la référence 1. Elle est placée au fond de la mer à une distance relativement importante du rivage 2 ou d'une plateforme fixe. Cette installation 1 est reliée par un câble de commande 4 à une station de commande repérée 3 placée sur le rivage 2. Ce câble 4 sert à transmettre la puissance électrique à l'installation 1 et les signaux de commande à la servovalve (ou servocommande) qui régule la vitesse du moteur hydraulique. La station de pompage est donc télécommandée. En référence à la figure 2, le (ou les) moteur électrique 5 est l'organe de production d'énergie de la station. C'est un moteur électrique lent. I1 tourne à vitesse constante et actionne une ou des pompes à huile 6. Ce moteur (ou ces moteurs) lent(s) est un moteur de préférence asynchrone(s) tournant(s) à 1 000 ou 1 500 t/min. L'ensemble de ces éléments, c'est-à-dire le (ou les) moteur(s) électrique(s) 5 et la pompe à huile 6 baignent eux-mêmes dans un bain d'huile 7. La sortie de la pompe à huile 6 débouche sur une canalisation moteur 25 sur laquelle est placée une servovalve ou servocommande 24. Elle alimente en énergie hydraulique un moteur hydraulique 9, représenté en deux parties. Celui-ci peut également être une turbomachine hydraulique équivalente. I1 peut être constitué par une turbine pouvant tourner entre 2500 et 6500 t/min à couple constant, par exemple du type "back to back", c'est-à-dire avec deux demi-corps montés en opposition. Les deux parties du moteur hydraulique 9 s'expliquent par le fait que celui-ci entraîne deux demi-pompes 10 constituant chacune la moitié de la pompe générale de la station. Les deux demi-pompes 10 sont montées mécaniquement en opposition. Ceci permet de s'affranchir de l'utilisation de butées axiales à grande capacité, et donc de s'affranchir de leurs pertes de charge associées. En effet, les deux forces axiales des deux demi-pompes 10 sont opposées sur l'axe du moteur hydraulique 9 et s'annulent mécaniquement. Les deux rotors des deux demi-pompes 10 sont montés isostatiques sur des paliers hydro-dynamiques fonctionnant en huile propre dans deux boitiers pressurisés à une pression très légèrement supérieure aux pressions d'aspiration et de refoulement. Les deux demi-pompes 10 sont du type axial, multiétagé. Pour évoquer la technologie utilisée dans ces deux demipompes 10, on peut citer la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 670 539 et intitulée : Pompe multi-étagée destinée particulièrement au pompage d'un fluide multiphasique. Ceci est un exemple de réalisation de ce type de pompe, d'autres modèles pouvant être utilisés. La servovalve ou servocommande 24 pilote donc par le débit de la canalisation moteur 25 la vitesse de rotation du moteur hydraulique 9. En effet, les opérateurs peuvent régler à distance la vitesse de rotation de la station en fonction de la densité et de la teneur en gaz du mélange pétrolier pompé. Ce mélange pétrolier arrive par un puits 18 sur lequel est branchée une vanne d'alimentation 17, suivie éventuellement d'un dispositif pour résorber les bouchons, ce qui se produit souvent sur les gisements pétrolifères. En effet, l'homogénéité du mélange aspiré est très aléatoire. Il s'en suit des variations brutales de densité du mélange. Le résorbeur de bouchons permet d'homogénéiser en grande partie le mélange pétrolier ainsi aspiré. Il peut être du type de celui décrit dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 688 147. Cette homogénéisation permet de limiter les oscillations de couple sur les rotors des deux demi-pompes 10, les oscillations de pression de refoulement et les pulsations de débit induites dans les pompes. Le mélange pétrolier est donc envoyé par la canalisation d'alimentation 26 vers les deux demipompes 10. Sur cette canalisation d'alimentation 26, il est préférable d'utiliser une trompe 12 pour régulariser le débit. Cette trompe 12 permet de mélanger le débit provenant du puits avec le débit de recirculation provenant du ballon tampon 16 en récupérant une partie de l'énergie de pression de celui-ci pour réduire le taux de gaz et augmenter la pression à l'aspiration de la pompe. Il est également utile d'utiliser un débitmètre 11 après la trompe 12, sur cette canalisation d'alimentation 26. Celle-ci se partage en deux canalisations pour alimenter les deux demi-pompes 10. Le mélange pétrolier est ainsi dans les deux demi-pompes et subit l'apport d'énergie nécessaire à son évacuation en surface. Les deux demi-pompes 10 sont donc entrainées en rotation par le moteur hydraulique 9 à vitesse variable. On note que ce moteur hydraulique 16 possède deux sorties 27 formant une canalisation d'huile 23 retournant, par l'intermédiaire d'un filtre 28 dans le bain d'huile 7. Ce bain d'huile est alimenté par un système auxiliaire de pompage 8 débouchant directement dans ce bain d'huile 7. Le système auxiliaire de pompage d'huile 8 alimente également les paliers des deux demipompes 10. Le bain d'huile permet de réfrigérer et de pressuriser les éléments mécaniques des deux demipompes 10 et des moteurs, tels que les boîtiers de pivoterie et les faces en contact des garnitures mécaniques. Les deux demi-pompes 10 débitent le mélange sous pression dans deux canalisations de pression 22 débouchant toutes les deux dans le ballon tampon 16. Une sortie 19 est prévue pour expédier le mélange suffisamment gazeux. On prévoit à cet effet un débitmètre polyphasique 29 et une vanne de sortie 21. Cette première sortie 19 du ballon tampon 16 est prévue donc pour collecter le mélange plutôt gazeux. D'autre part, une autre sortie 30 du ballon tampon 16 permet de collecter le mélange moins gazeux, c'est-àdire plus liquide, réinjecté vers les deux demi-pompes 10. En effet, celles-ci ont un taux de rendement optimal avec un mélange relativement peu gazeux. Le fait de réinjecter du mélange peu gazeux à l'entrée de ces deux demi-pompes 10 permet donc d'obtenir un fonctionnement optimal. A cet effet, une canalisation de retour 17 expédie le mélange peu gazeux vers la trompe 12 d'injection du mélange pétrolier. On peut utiliser à ce niveau un échangeur de chaleur 13 pour réguler la température du mélange à l'entrée des deux demi-pompes 10. Avantages de l'invention 1) La station de pompage peut être donc commandée à distance. 2) Elle permet de pomper des forts débits à grande proportion de gaz. 3) Elle peut être connectée et déconnectée du puits du gisement et de la canalisation d'expédition et du système d'alimentation en énergie électrique. 4) Elle est capable d'encaisser les régimes transitoires de démarrage et d'arrêt de production par exemple, quand il s'agit d'évacuer un bouchon de gaz, ou pour un démarrage avec une forte contrepression de la canalisation d'expédition. 5) La maintenance d'une telle station n'est nécessaire que tous les deux ans. 6) La partie comprenant le moteur lent et la pompe à huile peut être doublée pour obtenir une plus grande disponibilité de la station sous-marine. 7) L'utilisation de la trompe sur le circuit d'aspiration de la pompe permet de diminuer de façon importante la fraction de gaz du mélange pompé. REVENDICATIONS 1. Station de pompage sous-marine à grande profondeur pour pomper un mélange pétrolier, comprenant - au moins un moteur - une pompe (10) actionnée par le moteur avec une canalisation d'alimentation du mélange pétrolier (26) tt une sortie (22) ; et - des moyens de commande (3) placés en surface ; caractérisée en ce que le moteur est un moteur électrique lent à vitesse fixe (5) entraînant un moteur hydraulique (9), et en ce qu'il comprend une servovalve ou servocommande (24) placée en amont du moteur hydraulique vitesse variable (9) et en aval du moteur électrique (5), cette servovalve ou servocommande (24) étant commandée par les moyens de commande (3) placés en surface. 2. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe à huile (6) placée à la sortie du moteur électrique (5) pour entraîner hydrauliquement le moteur hydraulique (9). 3. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un ballon tampon (16) placé en aval de la pompe (10) avec une sortie de retour (14) à la pompe (10) et une sortie d'évacuation (19) du mélange suffisamment gazé. 4. Station selon la revendication 3, caractérisée en ce que la pompe est constituée de deux demi-pompes (10) montées mécaniquement en opposition et possédant chacune une entrée et une sortie du mélange pétrolier (31). 5. Station selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un échangeur de chaleur (13) placé sur la sortie de retour (14) et débouchant dans la canalisation d'alimentation (26) du mélange pétrolier, en amont des deux demi-pompes (10). 6. Station selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une trompe (12) et un densimètre (11) placés sur la canalisation d'alimentation (26) du mélange pétrolier et à la sortie de l'échangeur de chaleur (13). 7. Station selon les revendications 2 et 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un bain d'huile (7) dans lequel baignent le moteur électrique (5) et la pompe à huile (6). 8. Station selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif auxiliaire (8) de pompage et d'alimentation en huile pour envoyer de l'huile dans le bain d'huile (7) vers la pompe à huile (6) du moteur électrique (5) et aux paliers des deux demi-pompes (10). 9. Station selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend sur la canalisation d'alimentation (26) du mélange pétrolier un dispositif pour résorber les bouchons (20).