Brevet FR2774924A1 — publié le 19990820

SEPARATEUR POUR MELANGE TRIPllASIOUE DESTINE A ETRE UTILISE SOUS LE NIVEAU DE LA MER L'invention concerne un séparateur pour mélange triphasique du type liquideliquide-gaz destiné à être utilisé sous le niveau de la mer, en particulier pour séparer les constituants d'un mélange pétrole/eau/gaz. ETAT DE LA TECHNIOUE I1 a été proposé dans le brevet français n" 2 707 890 un séparateur pour mélange triphasique liquide-liquide-gaz comportant des moyens d'admission du mélange, une structure de garnissage constituée de feuilles minces cannelées percées d'orifices et empilées de manière à former des cannelures, et des moyens d'évacuation. Ce séparateur présente une efficacité satisfaisante, mais il ne peut être utilisé longtemps sans qu'une intervention humaine soit nécessaire. La demanderesse a donc poursuivi des recherches en vue de mettre au point un séparateur qui puisse être disposé au fond de la mer dans une installation de production de pétrole brut. Outre qu'il doit pouvoir résister aux conditions sous-marines, en ayant notamment une bonne résistance mécanique et une bonne tenue à la corrosion, un tel séparateur doit effectuer une bonne séparation des constituants du mélange et conserver cette bonne qualité de séparation sur une longue période, sans qu'une intervention humaine soit nécessaire. EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION La demanderesse est ainsi parvenue à mettre au point un séparateur atteignant pleinement les objectifs qu'elle s'était fixés. Plus précisément, la demanderesse a inventé un séparateur pour mélange triphasique liquide-liquide-gaz, du type comprenant une enceinte munie de moyens d'admission du mélange triphasique, de premiers moyens d'évacuation et de seconds moyens d'évacuation. Ce séparateur se caractérise, d'une part, en ce qu'il comporte au moins un dispositif de coalescence comportant - un premier sous-ensemble de plaques espacées les unes des autres et disposées de façon sensiblement parallèle les unes aux autres, - un deuxième sous-ensemble de plaques espacées les unes des autres et disposées de façon sensiblement parallèle les unes aux autres, - lesdits premier et deuxième sous-ensembles étant à proximité l'un de l'autre et disposés de telle sorte que chaque plaque du premier sous-ensemble soit sensiblement symétrique, par rapport à un plan sensiblement vertical, à une plaque du deuxième sous-ensemble, - les faces supérieures des plaques du premier sous-ensemble formant un angle a saillant avec les faces supérieures des plaques du deuxième sous-ensemble, et d'autre part, en ce que les moyens d'admission et les premiers moyens d'évacuation comportent un orifice, les seconds moyens d'évacuation comportent un orifice et se situent au niveau de la partie basse de l'enceinte, et lesdits premier et second sous-ensembles sont disposés entre les moyens d'admission et les premiers et seconds moyens d'évacuation et orientés de telle sorte qu'un courant puisse circuler des moyens d'admission vers les premiers et seconds moyens d'évacuation en passant dans les espaces formés entre les différentes plaques. Un tel séparateur a pour avantage essentiel de fournir une bonne séparation des composants liquides et de pouvoir fonctionner pendant une durée de l'ordre de 25 ans sans intervention humaine. La demanderesse a également mis au point un séparateur dont les moyens d'admissions permettent une tranquilisation de l'écoulement du fluide à son arrivée dans l'enceinte du séparateur. Ce séparateur comprend une enceinte, des moyens d'admission et des moyens d'évacuation, et il se caractérise en ce que ses moyens d'admission comportent - une conduite amenant un mélange depuis une paroi de l'enceinte jusqu'à un emplacement situé à l'intérieur et en partie haute de l'enceinte, - une chambre dépourvue de paroi supérieure et dans la paroi inférieure de laquelle débouche ladite conduite, et - un obstacle disposé à l'intérieur de cette chambre en face de la sortie de ladite conduite. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de l'exposé qui suit, auquel sont annexées, à titre uniquement illustratif, les figures 1 à 5. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La figure 1 représente schématiquement, en coupe partielle et en perspective, un séparateur selon l'invention. La figure 2 représente schématiquement, en coupe, une variante du séparateur de la figure 1. La figure 3 représente schématiquement, en vue de face en coupe, une partie des moyens d'admission du séparateur de la figure 2. La figure 4 représente schématiquement, en vue de gauche en coupe, une partie des moyens d'admission du séparateur de la figure 2. La figure 5, représente schématique, en coupe partielle et en perspective, le séparateur de la figure 2. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION Le séparateur selon l'invention est illustré de manière générale sur la figure 1, où l'on peut voir qu'il comprend une enceinte 1 présentant une forme sensiblement cylindrique, disposée horizontalement et dont les extrémités sont fermées par deux parties hémisphériques. Cette enceinte est munie de moyens d'admission 2 du mélange triphasique, de premiers moyens d'évacuation 3 et de seconds moyens d'évacuation 4. Entre les moyens d'admission 2 et les moyens d'évacuation 3, 4 se trouvent un premier sous-ensemble 5 de plaques 6 disposées parallèlement les unes aux autres et espacées les unes des autres et un deuxième sous-ensemble 7 de plaques 8 également disposées parallèlement les unes aux autres et espacées les unes des autres. Ces sous-ensembles 5,7 sont à proximité l'un de l'autre et et disposés de telle sorte que chaque plaque 6 du premier sous-ensemble 5 soit sensiblement symétrique, par rapport à un plan sensiblement vertical, à une plaque 8 du deuxième sous-ensemble 7. Les faces supérieures des plaques 6 du premier sous-ensemble 5 forment un angle Oc saillant avec les faces supérieures des plaques 8 du deuxième sous-ensemble 7. Les plaques 6,8 sont de forme globalement rectangulaire, de préférence régulièrement espacées, lisses et ondulées pour présenter plus de surface dans un volume donné. Elles sont maintenues en place à leurs extrémités par des lames 29, 30. Un espace central situé entre les plaques 6 du premier sous-ensemble 5 et les plaques 8 du second sous-ensemble 7 permet le passage vertical des fluides. Les deux sous-ensembles 5,7 ne reposent pas sur la paroi inférieure de l'enceinte, ils sont légèrement surélevés de façon à laisser un espace permettant la circulation des fluides. Les moyens d'admission 2 comportent un orifice situé dans la paroi de l'enceinte 1. Les premiers moyens d'évacuation 3 comportent un orifice situé dans la paroi de l'enceinte 1. Les seconds moyens d'évacuation 4 comportent un orifice situé dans la paroi de l'enceinte 1, au niveau de sa partie basse. Les plaques 6,8 sont orientées par rapport aux moyens d'admission 2 et d'évacuation 3,4 de telle sorte qu'un courant de mélange triphasique puisse circuler en passant dans les espaces formés entre les différentes plaques de l'ensemble de coalescence. Le fonctionnement général du séparateur selon l'invention peut donc être expliqué comme suit : le mélange triphasique pénètre dans l'enceinte 1 au travers des moyens d'admission 2 et s'écoule ensuite vers les premiers et seconds moyens d'évacuation 3,4, en circulant entre les plaques 6 et entre les plaques 8, c'est-à-dire dans une direction sensiblement horizontale, dans le sens longitudinal du cylindre constituant l'enceinte 1. Au cours de cet écoulement, le liquide lourd se dirige vers le bas, tandis que le liquide léger remonte vers le haut ou se maintient dans la partie supérieure du courant, car les deux sous-ensembles 5,7 de plaques 6,8 forment un dispositif de coalescence, c'est-à-dire un dispositif permettant aux gouttelettes des liquides de se regrouper et de former des gouttes qui vont ensuite se séparer de l'autre liquide. Le liquide léger est ensuite évacué par les premiers moyens d'évacuation 3 et le liquide lourd par les seconds moyens d'évacuation 4. Le gaz contenu dans le mélange est évacué directement par les moyens d'évacuation 3. Selon une variante avantageuse illustrée par la figure 2, les premiers moyens d'évacuation comportent - d'une plaque-barrière 9 sensiblement perpendiculaire aux plaques des sousensembles 11,12 et s'étendant depuis la paroi inférieure 26 de l'enceinte jusqu'à une hauteur h2 supérieure à la hauteur h1 des plaques des sous-ensembles 11,12, - d'un orifice d'évacuation 10 situé du côté de la plaque-barrière 9 opposé à celui ou se trouvent les sous-ensembles 11,12. La plaque-barrière 9 est fixée à l'enceinte de manière étanche sur tous ses côtés, à l'exception du côté supérieur, ce qui a pour conséquence que seul le liquide léger surnageant peut passer au-dessus d'elle et être ensuite évacué par l'orifice 10. En outre, l'enceinte comprend préférentiellement une seconde plaque-barrière 13 située entre l'orifice 10 et la plaque-barrière 9 et sensiblement parallèle à cette dernière. Cette seconde plaque barrière 13 s'étend depuis une hauteur h3 supérieure à la hauteur h2 de la plaque-barrière 9, jusqu'à une hauteur h4 située au-dessus de la paroi inférieure 26 de l'enceinte, de manière à laisser subsister une ouverture 29. Cette disposition permet au volume compris entre les deux plaques-barrières 9 et 13 de constituer une réserve tampon qui s'écoule à travers l'ouverture 29 vers l'orifice 10 lorsque le débit diminue à l'admission. Ainsi, le débit des fluides à la sortie du séparateur est régularisé. Avantageusement, comme on peut aussi le voir sur les figures 3, 4 et 5, les moyens d'admission comportent: - une conduite d'amenée 14 reliant une paroi de l'enceinte à un emplacement situé à l'intérieur de l'enceinte, en un point situé en partie haute de l'enceinte, au-dessus des sous-ensembles 11,12 de plaques, - une chambre 15 dépourvue de paroi supérieure et dans la paroi inférieure de laquelle débouche la conduite d'amenée 14, et - un obstacle 16 disposé à l'intérieur de la chambre 15, en face de la sortie de la conduite 14. La conduite d'amenée 14 traverse de préférence la paroi de l'enceinte en un point situé dans la partie basse de l'extrémité hémisphérique du cylindre constituant l'enceinte. Ainsi que cela ressort des figures 3 et 4, l'obstacle 16 est constitué de cornières en V disposées parallèlement les unes aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de la conduite 14, espacées les unes des autres de façon à pouvoir laisser passer le fluide entre elles. Chaque cornière est de préférence orientée de telle sorte que la pointe du "V" se situe à la partie inférieure de la cornière. En outre, les cornières sont de préférence réparties sur plusieurs niveaux suivant l'axe de la conduite 14, les cornières d'un niveau étant alors préférentiellement décalées par rapport à celles du niveau voisin, de sorte que le fluide passant entre deux cornières d'un niveau se heurte à une cornière du niveau supérieur. Ainsi, le fluide provenant de la conduite 14 ne peut passer directement à travers l'obstacle 16 car il doit en quelque sorte zigzaguer entre les cornières. Le cheminement du fluide qui en résulte assure globalement une tranquilisation de l'écoulement du fluide à son arrivée dans l'enceinte du séparateur. De préférence, deux parois parallèles 18,19 de la chambre 15 se prolongent vers le haut et maintiennent un deuxième obstacle 17 qui peut être similaire à l'obstacle 16. Comme on peut le voir en se reportant de nouveau à la figure 2, il est avantageux de mettre en place une barrière anti-vagues 31 entre les moyens d'admission 14,15,16,17,18,19 et les sous-ensembles 11,12 de plaques. Cette barrière anti-vagues peut être une plaque disposée parallèlement à la plaque-barrière 9 et s'étendre depuis la paroi inférieure 26 de l'enceinte jusqu'à une hauteur inférieure à la hauteur hl des sousensembles 11,12. Des moyens d'élimination du sable peuvent être prévus. Ils sont formés de conduites 20,21 et d'orifices d'évacuation 22,23. Les conduites 20,21 sont percées sur leur longueur d'orifices de projection et elles s'étendent horizontalement entre les sousensembles 11,12 et la paroi inférieure 26 de l'enceinte. Elles présentent chacune une partie coudée 24,25 qui traverse la paroi 26 de l'enceinte et au moyen de laquelle de l'eau sous pression peut être introduite. Cette eau est ensuite projetée par les orifices de projection disposés le long des conduites 20 et 21 et elle entraîne le sable déposé sur la paroi 26 vers les orifices d'évacuation 22,23. Bien entendu, il est possible, comme cela ressort des figures 2 et 5, de mettre en série dans le sens de l'écoulement du mélange de fluides à séparer, un ou plusieurs autres dispositifs de coalescence similaires au premier. Ainsi, grâce à sa constitution, le séparateur selon l'invention n'est pas susceptible de retenir des dépôts ni de s'encrasser dans le temps. De plus, la perte de charge qu'il provoque est limitée est reste inférieure à I bar. Lors du fonctionnement normal, le niveau N du liquide dans l'enceinte est voisin des obstacles 16 et 17 du dispositif d'admission (figure 2), en raison de l'existence de la plaque-barrière 9 ou, le cas échéant, de la seconde plaque-barrière 13. Le dispositif de coalescence est donc sous le niveau du liquide. L'écoulement des fluides s'effectue à basse vitesse et sur des surfaces lisses. I1 en résulte que la séparation est efficace. Comme il est généralement réalisé en un matériau métallique tel que l'acier inoxydable, la résistance mécanique de ses éléments est très élevée et par conséquent, sa tenue dans le temps est assurée. Par ailleurs, les moyens d'admissions 14,15,16,17,18,19 peuvent être utilisés avec tout type de séparateur. Utilisations Le séparateur selon l'invention peut être utilisé pour éliminer l'eau de mélanges pétrole/eau/gaz dans lequels l'eau représente parfois jusqu'à 80% du mélange. Dans ses conditions normales de fonctionnement, à savoir, des températures de 50 à 65"C et une pression de 35 à 105 bars, son pouvoir de séparation est tel que l'eau éliminée contient généralement moins de 1000 ppm de pétrole. Ceci constitue un avantage important car l'eau éliminée est habituellement réinjectée dans la roche et le pétrole qu'elle contient contribue au bouchage de la roche, c'est pourquoi il importe de minimiser sa teneur en pétrole. Le séparateur selon l'invention peut ainsi être implanté à une profondeur allant jusqu'à 1000 m sous le niveau de la mer, et même plus si le dimensionnement mécanique de l'enceinte est prévu à cet effet. REVENDICATIONS 1. Séparateur pour mélange triphasique liquide-liquide-gaz, du type comprenant une enceinte (1) munie de moyens d'admission (2,14,15,16,17,18,19) du mélange triphasique, de premiers moyens d'évacuation (39,10) et de seconds moyens d'évacuation (4), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de coalescence comportant: - un premier sous-ensemble (5,11) de plaques (6) espacées les unes des autres et disposées de façon sensiblement parallèle les unes aux autres, - un deuxième sous-ensemble (7,12) de plaques (8) espacées les unes des autres et disposées de façon sensiblement parallèle les unes aux autres, - lesdits premier et deuxième sous-ensembles (5,117,12) étant à proximité l'un de l'autre et disposés de telle sorte que chaque plaque (6) du premier sous-ensemble (5,11) soit sensiblement symétrique, par rapport à un plan sensiblement vertical, à une plaque (8) du deuxième sous-ensemble (7,12), - les faces supérieures des plaques (6) du premier sous-ensemble (5,11) formant un angle a saillant avec les faces supérieures des plaques (8) du deuxième sousensemble (7,12), et en ce que les moyens d'admission ,14,15,16,17,18,19) comportent un orifice (2), les premiers moyens d'évacuation (3;9, 10) comportent un orifice (3), les seconds moyens d'évacuation (4) comportent un orifice (4) et se situent au niveau de la partie basse de l'enceinte (1), et lesdits premier et second sous-ensembles (5,7) sont disposés entre les moyens d'admission (2;14,15,16,17,18,19) et les premiers et seconds moyens d'évacuation (34,9,10) et orientés de telle sorte qu'un courant puisse circuler des moyens d'admission (2;14,15,16,17,18,19) vers les premiers et seconds moyens d'évacuation (3;4;9, 10) en passant dans les espaces formés entre les différentes plaques (6,8). 2. Séparateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les premiers moyens d'évacuation (9,10) sont constitués - d'une plaque-barrière (9) sensiblement perpendiculaire aux plaques desdits sous-ensembles (11,12) et s'étendant depuis la paroi inférieure (26) de l'enceinte jusqu'à une hauteur (h2) supérieure à la hauteur (hl) des plaques desdits sous ensembles (11,12), et - d'un orifice d'évacuation (10) situé du côté de la plaque-barrière (9) opposé à celui où se trouvent les sous-ensembles (11,12). 3. Séparateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les premiers moyèns d'évacuation (9,10) comprennent en outre une seconde plaque-barrière (13) située entre l'orifice (10) et la plaque-barrière (9) et sensiblement parallèle à cette dernière, s'étendant depuis une hauteur (h3) supérieure à la hauteur (h2) de la plaquebarrière (9), jusqu'à une hauteur (h4) située au-dessus de la paroi inférieure (26) de l'enceinte, de manière à laisser subsister une ouverture (29). 4. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (1) présente une forme sensiblement cylindrique fermée à ses extrémités par des parties hémisphériques. 5. Sépateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est disposée horizontalement. 6. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (6,8) sont des plaques ondulées. 7. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (6,8) sont régulièrement espacées. 8. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'admission (14,15,16,17,18,19) comportent - une conduite d'amenée (14) du mélange triphasique depuis une paroi de l'enceinte jusqu'à un emplacement situé à l'intérieur de l'enceinte, au-dessus des sousensembles de plaques (11,12), - une chambre (15) dépourvue de paroi supérieure et dans la paroi inférieure de laquelle débouche ladite conduite d'amenée (14), et - un obstacle (16) disposé à l'intérieur de cette chambre (15) en face de la sortie de ladite conduite d'amenée (14). 9. Séparateur selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un deuxième obstacle (17) est disposé au-dessus de la chambre (15). 10. Séparateur selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé en ce que les obstacles (16,17) sont constitués de cornières en V disposées parallèlement les unes aux autres dans un plan perpendiculaire à l'axe de la conduite d'amenée (14), espacées les unes des autres de façon à pouvoir laisser passer le fluide entre elles et réparties sur plusieurs niveaux suivant l'axe de la conduite d'amenée (14), les cornières d'un niveau étant alors décalées par rapport à celles du niveau voisin. 11. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une barrière anti-vagues (31) disposée entre les moyens d'admission (14,15,16,17,18,19) et les sous-ensembles (11,12) de de plaques. 12. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'élimination (20,21,22,23) du sable déposé au fohd de l'enceinte. 13. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs autres dispositifs de coalescence semblables au premier. 14. Utilisation d'un séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour éliminer l'eau d'un mélange pétrole/eau/gaz.