Brevet FR2748532A1 — publié le 19971114

La présente invention concerne un système permettant de communiquer à un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, une valeur d'énergie ou de pression suffisante pour le transférer d'un endroit à un autre. La présente invention trouve avantageusement son application dans le domaine du pompage des puits pétroliers, où l'effluent pétrolier comporte au moins une phase gazeuse et une phase liquide (composée par exemple d'une phase aqueuse et/ou d'une phase organique), et éventuellement des particules solides. Le transfert d'un effluent pétrolier du fonds de puits vers la surface, est habituellement réalisé à l'aide d'une pompe de type centrifuge descendue dans un puits, habituellement dénommée "pompe de fonds de puits". La plupart de ces pompes de type centrifuge, comportent plusieurs étages comprenant un impulseur, ayant respectivement pour fonction de communiquer au fluide une énergie de pression et une énergie cinétique, et un redresseur dont le rôle est de guider le fluide à travers la succession d'étages formés des impulseurs et des redresseurs. Un impulseur et un diffuseur ou redresseur forment un étage et, dans la suite de la description, on désigne par le terme "étage", un ensemble comportant un couple d'impulseur et de diffuseur, pour les éléments de pompage de type polyphasique et les éléments de type centrifuge. L'utilisation des pompes centrifuges présente néanmoins des inconvénients et, notamment des limites dans leur fonctionnement. En effet, ces pompes conviennent particulièrement bien pour la compression de fluides en majorité liquide, mais présentent des limites dans leur fonctionnement lorsque le fluide à comprimer comporte une phase gazeuse. Dans la majorité des cas, au-delà de quelques pourcents de gaz présents dans le fluide, la pompe centrifuge n'assure plus un transfert optimum d'énergie au fluide. L'objet de la présente invention consiste donc à pallier aux inconvénients prémentionnés, et en particulier à s'affranchir de cette limitation due à la présence de la phase gazeuse. Avantageusement, il a été trouvé que l'association d'un élément de pompage de type polyphasique et d'un élément de pompage de type centrifuge permet d'améliorer la compression d'un fluide polyphasique. Il est bien entendu que sous l'expression "fluide polyphasique, on distingue un fluide comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, pouvant être une phase aqueuse et une phase organique, par exemple, et éventuellement des particules solides, tels des grains de sable, de la boue.... La présente invention a pour objet, un système permettant de comprimer un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide pour le transférer d'un endroit à un autre. Il est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins un couple d'éléments de pompage comportant o un premier élément de pompage P1, de type polyphasique, adapté à communiquer de l'énergie audit fluide polyphasique et/ou à diminuer la proportion de la phase gazeuse présente initialement dans le fluide et/ou à mélanger lesdites phases gazeuse et liquide, de manière à obtenir en sortie dudit premier élément de pompage P1 un premier fluide F1 ayant une énergie E1, o un second élément de pompage P2 de type centrifuge, ledit second élément P2 étant disposé après ledit premier élément de pompage P 1, ledit second élément de pompage permettant de communiquer audit premier fluide F1 issu du premier élément de pompage une valeur de pression suffisante pour le transférer d'un endroit à un autre, par exemple une source de production vers un lieu de ramassage et/ou de traitement. Avantageusement, le système peut offrir les caractéristiques suivantes o le premier élément de pompage Pi et le second élément de pompage P2 sont situés, par exemple, sur un même arbre de rotation A, et o le premier élément de pompage Pi comportant au moins une série d'hydrauliques diphasiques comprenant chacune un impulseur et un redresseur, le second étage de pompage comportant au moins une série d'hydrauliques centrifuges comprenant chacune un impulseur et un redresseur, les caractéristiques dimensionnelles et géométriques de la sortie du dernier redresseur dudit premier élément de pompage P1 étant, par exemple, adaptées à l'entrée du premier impulseur du second élément de pompage pour optimiser le transfert du fluide F1 vers le second élément de pompage P2. Les caractéristiques géométriques de l'impulseur et du redresseur du dernier étage de l'élément de pompage P1 peuvent aussi être choisies pour optimiser le transfert du fluide Fi vers le second élément de pompage P2. Selon une autre variante de réalisation, un dispositif auxiliaire peut être disposé entre le premier élément de pompage polyphasique Pleut le second élément de pompage centrifuge de manière à adapter le fluide F1 issu de l'élément de pompage polyphasique aux caractéristiques du second élément de pompage centrifuge P2. De cette manière on optimise l'action du second élément de pompage, en "préparant" le fluide F1. Le système peut comporter une ou plusieurs séries d'éléments de pompage de type polyphasique et de type centrifuge, en ce que lesdits éléments ont un arbre de rotation A commun, la variation du diamètre de rotation de l'arbre de rotation étant par exemple fonction de la nature de la compression, centrifuge ou polyphasique. Par exemple, l'arbre A peut être composé de deux parties, une partie A1 de longueur il sensiblement égale à la longueur de l'élément de pompage de type polyphasique et une seconde partie A2 ayant une longueur L2 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'élément de pompage de type centrifuge P2, la valeur du diamètre Dl de la partie A1 est supérieure à la valeur du diamètre D2 Le système selon l'invention est particulièrement bien adapté pour être disposé dans un puits pétrolier, et permettre ainsi le transfert d'un fluide polyphasique pétrolier du fonds de puits vers la surface. Le système peut, sans sortir de l'invention etre utilisé dans tout endroit où il est nécessaire de communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique pour assurer son transfert d'un endroit, tel une source vers un lieu de destination, de traitement ou de ramassage. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, à la compression ou pompage d'un effluent polyphasique de type pétrolier, comportant au moins une phase liquide, une phase gazeuse et éventuellement une phase solide, en se référant aux dessins annexés où: o la figure l montre une utilisation particulière du système de pompage disposé dans un puits pétrolier, et o la figure 2 représente schématiquement la disposition d'un élément de pompage de type polyphasique par rapport à un élément de pompage de type centrifuge, les deux éléments étant solidaires d'un même arbre de rotation. Afin de mieux cerner l'invention et, à titre indicatif et nullement limitatif, la description qui suit est spécifique à un système de pompage selon l'invention disposé dans un puits pétrolier et ayant pour fonction d'assurer la remontée de l'effluent pétrolier du fonds vers la surface. La surface peut, bien entendu correspondre à la surface du sol marin dans le cas d'une production sous-marine, ou encore à la surface de la terre dans le cas de production terrestre. La figure 1 décrit un exemple de configuration d'équipement, dans lequel le système de pompage 1 comportant notamment l'élément de pompage de type polyphasique Pi associé à l'élément de pompage de type centrifuge P2, décrit plus en détail à la figure 2, est descendu à sa côte dans un casing ou tubage 2. Le système est, par exemple suspendu à l'extrémité d'un tubing ou colonne de production 3. L'ensemble ainsi descendu dans le puits, comporte par exemple en considérant un point 4 correspondant au fond du puits vers un point 5 correspondant à la surface vers laquelle on cherche à remonter l'effluent: o un moteur 6, par exemple de type électrique, assurant l'entraînement du système de pompage, le moteur étant de préférence situé au niveau de la partie inférieure de la pompe du côté de l'admission de l'élément de pompage de type polyphasique, pour faciliter le refroidissement du moteur, par le passage de l'effluent entrant dans la pompe, il est aussi possible d'utiliser un moteur diesel, à gaz, o un élément de connexion 7 qui assure, notamment la connexion électrique par l'intermédiaire d'un câble électrique 8 remontant vers la surface et relié à un dispositif 13 tel une armoire de commande distribuant l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'ensemble du système. il est aussi possible de donner d'autres fonctions au câble électrique, à savoir la remontée d'informations provenant du fond du puits et de le relier à un dispositif approprié, o le moyen de connexion 7 a aussi pour fonction d'assurer l'étanchéité entre le moteur électrique qui est lubrifié par de l'huile, de manière à éviter la transmission de l'huile vers le système de pompage 1, o le moyen de connexion est aussi relié à un élément protecteur 9 situé au-dessus et assurant en totalité ltétanchéité du système de pompage, o au-dessus du système de pompage 1, un clapet anti-retour 10 et une vanne de purge 11, ouvrable par exemple par barre de charge larguée, permettent d'empêcher, lors des arrêts du système, la redescente du fluide pompé et de remonter le système de pompage, tubing vide, ces éléments étant connus de l'homme du métier, ils ne seront pas détaillés. En surface 5, une tête de tubing 12, spéciale et munie par exemple de joints d'étanchéité permet la sortie du câble électrique 8 à l'extérieur et vers l'armoire de commande 13. Avantageusement, une duse réglable permet d'ajuster l'écoulement en augmentant ou en diminuant la contrepression sur le système de pompage. La figure 2 est un schéma montrant la disposition relative des deux éléments de pompage, polyphasique P1 et centrifuge P2, solidaires d'un même arbre de rotation A Le fluide polyphasique issu de la source d'effluents, traverse en premier l'élément de pompage de type polyphasique P1, puis l'élément de pompage de type centrifuge P2. Le bloc de pompage P1 de type polyphasique comporte, par exemple plusieurs étages dont un étage est appelé étage d'aspiration ou d'admission, et un étage de sortie. Ces deux étages sont séparés par plusieurs étages de compression dont le nombre est choisi en fonction de la compression à assurer. Chaque étage comporte par exemple un impulseur et un redresseur, les caractéristiques géométriques et les dimensions des impulseurs et des redresseurs étant adaptées par rapport à la nature de l'effluent polyphasique, et notamment pour o assurer une compression suffisante de l'effluent permettant sa remontée du fonds de puits vers la surface, et/ou o diminuer la proportion de la phase gazeuse, et/ou o mélanger les différentes phases constituant l'effluent, notamment la phase gazeuse et la phase liquide. Les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des hydrauliques (impulseur et redresseur) du système de pompage de type polyphasique P1 sont par exemple semblables à celles décrites dans les brevets FR 2.333.139, FR 2.471.501 et FR 2.665.224 du demandeur. Le fluide issu du bloc de pompage polyphasique P1 présente donc une énergie E1 supérieure à l'énergie Eg qu'il possédait à l'admission du bloc de pompage P1, et une meilleure homogénéité des phases liquide et gazeuse. Ce fluide F1 passe ensuite à travers le second élément de pompage P2, situé de préférence sur un même arbre de rotation A, à l'intérieur duquel, il va acquérir l'énergie suffisante pour le remonter jusqu'à la surface. L'élément de pompage P2 de type centrifuge, se présente par exemple sous la forme d'une pompe centrifuge multi-étage, comprenant un nombre d'étages suffisants pour obtenir la hauteur de refoulement désirée et donc assurer la valeur de pression nécessaire à la remontée de F1 vers la surface. Le fluide F1 recomprimé, dont les phases ont été homogénéisées au niveau du premier élément de pompage P1, présente une proportion de phase gazeuse en quantité suffisamment faible pour que l'étage de compression de type centrifuge assure de manière optimale sa compression. Avantageusement, le dernier étage redresseur du bloc de pompage polyphasique P1 est adapté pour assurer un transfert optimal du fluide F1 vers l'entrée du second bloc de l'étage de compression P2, de façon à optimiser l'action du second étage P2, notamment la compression. L'adaptation de cet étage aura par exemple pour effet d'adapter la direction du fluide F1, ou encore d'adapter les sections respectives de sortie et d'entrée des différents éléments de compression. Pour obtenir cet optimisation de fonctionnement, il est par exemple possible de choisir la géométrie de l'ensemble de l'impulseur et du redresseur formant le dernier étage de l'élément de pompage de type polyphasique P1 en fonction de l'entrée du second élément de pompage. Dans tous les choix de géométrie il est aussi possible de prendre en compte la nature et le faciès de l'écoulement polyphasique, l'écoulement de type pétrolier issu du puits ou source. Selon un autre mode de réalisation, on interpose entre l'élément de pompage polyphasique P1 et l'élément de pompage centrifuge P2, un dispositif 20 indépendant des deux blocs et solidaire du même arbre de rotation A. Ce dispositif présente toutes les caractéristiques géométriques et dimensionnelles qui vont permettre d'adapter le fluide F1 à l'entrée du second élément de pompage P2, comme indiqué précédemment. Avantageusement, l'arbre de rotation A possède un diamètre D qui varie selon sa position dans le système. Ainsi, pour un axe A composé de deux parties, une partie A1 de longueur li sensiblement égale à la longueur de l'élément de pompage de type polyphasique et une seconde partie A2 ayant une longueur L2 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'élément de pompage de type centrifuge P2, la valeur du diamètre D1 de la partie A1 est supérieure à la valeur D2 du diamètre D2. Un tel choix dans la valeur des diamètres de l'arbre de rotation permet de plus d'assurer la stabilité de l'ensemble. REVENDICATIONS 1- Système pour comprimer un fluide polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, le système comportant en combinaison au moins un couple d'éléments de pompage caractérisé en ce qu'il comporte o un premier élément de pompage P1 de type polyphasique adapté à communiquer de l'énergie audit fluide polyphasique et/ou à diminuer la proportion de la phase gazeuse présente initialement dans le fluide et/ou à mélanger lesdites phases gazeuse et liquide, de manière à obtenir en sortie dudit premier élément de pompage P1 un premier fluide F1 ayant une énergie E1, o un second élément de pompage P2 de type centrifuge, ledit second élément P2 étant disposé après ledit premier élément de pompage P 1, ledit second élément de pompage permettant de communiquer audit premier fluide F1 issu du premier élément de pompage une valeur de pression suffisante pour le transférer d'un endroit à un autre. 2 - Système de pompage selon la revendication 1 caractérisé en ce que o ledit premier élément de pompage P1 et ledit second élément de pompage P2 sont situés sur un meme arbre de rotation A, et o en ce que ledit premier élément de pompage P1 comporte au moins une série d'hydrauliques diphasiques comprenant un impulseur et un redresseur, ledit second étage de pompage comportant au moins une série d'hydrauliques centrifuges comprenant un impulseur et un redresseur, les caractéristiques dimensionnelles et géométriques de la sortie du dernier redresseur dudit premier élément de pompage P1 étant adaptées à l'entrée du premier impulseur du second élément de pompage pour optimiser le transfert du fluide F1 vers le second élément de pompage P2. 3 - Système selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de l'impulseur et du redresseur du dernier étage de l'élément de pompage P1 sont choisies pour optimiser le transfert du fluide F1 vers le second élément de pompage P2. 4 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif auxiliaire situé entre ledit premier élément de pompage polyphasique P1 et ledit second élément de pompage centrifuge de manière à adapter le fluide F1 issu de l'élément de pompage polyphasique aux caractéristiques de l'élément de pompage centrifuge P2. 5 - Système selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs séries d'éléments de pompage de type polyphasique et de type centrifuge, en ce que lesdits éléments ont un arbre de rotation A commun, et en ce que l'arbre A composé de deux parties, une partie A1 de longueur 11 sensiblement égale à la longueur de l'élément de pompage de type polyphasique et une seconde partie A2 ayant une longueur L2 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'élément de pompage de type centrifuge P2, la valeur du diamètre D1 de la partie A1 est supérieure à la valeur du diamètre D2. 6 - Système de pompage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est disposé dans un puits pétrolier, et adapté pour permettre le transfert d'un fluide polyphasique pétrolier du fonds de puits vers la surface.