Brevet FR2787838A1 — publié le 20000630

La présente invention concerne un dispositif de pompage à jet dont l'efficacité est améliorée par rapport aux pompes à jet connues. La pompe à jet continu fonctionne selon le principe d'injection d'un fluide moteur à travers une restriction calibrée (duse) provoquant un jet de grande vitesse dans l'axe d'un col mélangeur. Le jet entraîne et se mélange au fluide à pomper selon le principe d'échange des quantités de mouvement. La vitesse en sortie de mélangeur est transformée en pression dans un canal divergent qui suit le col mélangeur. La présente invention améliore les rendements de pompage en intervenant sur la circulation du fluide pompé et/ou du fluide moteur. Ce type de pompe est utilisable notamment dans la production des effluents pétroliers, que ce soit dans les installations de surface ou de fond de puits. Les avantages des pompes à jets à rendement amélioré peuvent être: - pas ou très peu de pièces en mouvement, - tous les types de fluides sont pompables (liquides, gaz, liquides visqueux ou chargés en solides) à partir d'un fluide moteur liquide (eau, huile,...) 2, 2787838 - leur taille est relativement peu encombrante et compatible avec les dimensions d'un puits pétrolier ou d'une conduite de refoulement. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de pompage à jet fluide comprenant une duse d'injection d'un fluide moteur placée dans un conduit comportant, d'amont en aval, un corps sensiblement cylindrique, un col convergent, un canal de mélange et un divergent, ladite duse est disposée à l'extrémité d'un porte-duse dans l'axe longitudinal dudit conduit, le fluide pompé circule dans l'espace annulaire compris entre le corps et l'extérieur de la duse et du porte- duse, Io l'orifice de la duse a l'axe longitudinal pour axe de symétrie. Selon l'invention, le dispositif est constitué selon l'une des combinaisons suivantes: a) le porte-duse comprend dans son canal intérieur des moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur dans la duse et des moyens de mise en rotation de la duse autour de l'axe longitudinal, lesdits moyens de rotation étant indépendants de l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé, le sens de rotation de la duse étant opposé au sens de rotation de la veine de fluide moteur; b) le porte-duse comprend sur l'extérieur des moyens de mise en rotation de la veine de fluide pompé, tels que des pales inclinées par rapport à l'axe longitudinal; c) le porte-duse comprend sur l'extérieur des moyens de mise en rotation de la veine de fluide pompé, tels que des pales inclinées par rapport à l'axe longitudinal, et dans son canal intérieur des moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur dans la duse. Dans une première variante concernant les combinaisons b) et c), la duse du dispositif peut être statique. *.3 2787838 Dans une seconde variante concernant les combinaisons b) et c), la duse peut comporter des moyens de mise en rotation externes et indépendants de l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé. Dans la variante précédente, le sens de rotation de la duse peut être inverse par rapport au sens de rotation de la veine de fluide moteur. Dans le dispositif selon l'invention, les moyens de mise en rotation de la veine de fluide pompé peuvent être constitués par un ensemble de pales réparties régulièrement sur l'extérieur du porte-duse et inclinées sur l'axe longitudinal d'un i0 angle compris entre 10 et 50 degrés. Le sens de rotation de la veine de fluide pompé peut être identique au sens de rotation de l'ensemble duse et porte-duse. Les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur peuvent être constitués par une bande plate de largeur sensiblement égale au diamètre intérieur t5 du canal de la porte-duse, ladite bande étant en hélice dans ledit canal de façon à former deux canaux hélicoïdaux. Le pas de l'hélice peut être éventuellement variable, en particulier en diminution proche de la duse. Les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur peuvent être constitués par une turbine fixe dans le canal de la duse. L'invention concerne un application du dispositif pour le pompage d'un effluent du fond d'un puits à la surface du sol. On peut également utiliser l'invention pour le pompage en surface d'un effluent pétrolier. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples ci-après, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-annexées parmi lesquelles: 4 2787838 * la figure 1 représente en coupe une pompe à jet conventionnelle, * la figure 2 représente schématiquement le dispositif de pompage comprenant des moyens de mise en rotation de la duse d'injection de fluide moteur, * les figures 3a et 3b montrent en coupe une duse équipée de moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur, * la figure 4 montre en coupe une duse équipée sur sa surface extérieure de moyens de mise en rotation du fluide pompé. M les figures 5 montrent une duse intégrant les deux variantes précédentes. La figure 1 montre en coupe un dispositif de pompage à jet selon l'art antérieur. Un tel dispositif comprend une duse d'injection d'un fluide moteur tel que de l'eau ou de l'huile. La forme intérieure de la duse 1 est telle qu'il y a une diminution de la section du canal 2 d'amenée du fluide moteur de façon que la I5 vitesse du fluide soit importante à la sortie de la duse. Le jet de fluide moteur ainsi créé a une direction sensiblement parallèle à l'axe de la duse. Le fluide devant être déplacé par la pompe circule dans l'espace annulaire 3 entre l'extérieur de la duse et les parois 4 du corps de pompe. Les parois 4 convergent en 5, sensiblement au niveau de la sortie de duse pour former un col. A partir du col, un conduit 6, 2o sensiblement cylindrique ou très légèrement conique, constitue la zone de mélange du fluide moteur et du fluide pompé. Un conduit divergent 7 qui succède au conduit mélangeur crée l'énergie de pression permettant le déplacement des deux fluides mélangés. On peut évaluer le rendement énergétique d'une pompe à jet en calculant: M le taux de compression adimensionnalisé N: 2787838 N = (Pref-Pasp)/(Pmot-Pref) * le débit adimensionnalisé M: M = Qasp/Qmot avec Pref = pression de refoulement du mélange en sortie de la pompe, Pasp = pression du fluide pompé à l'aspiration de la pompe, Pmot = pression d'injection du fluide moteur à proximité de la duse, Qasp = débit du fluide pompé, Qmot = débit du fluide moteur. Le rendement énergétique yl, inférieur à 1, est égal à MN pour les écoulements mono phasiques ou très proche du mono phasiques. Pour comparer les performances des différentes variantes de réalisation de l'invention, on se basera sur le calcul de fl. La figure 2 décrit les moyens d'essais et le principe de réalisation d'une pompe selon l'invention dans le cas des différentes variantes o la duse 1 et son porte-duse sont entraînés en rotation par des moyens externes. Les références 1, 4, 6 et 7 désignent, comme sur la figure 1, respectivement une duse, un col, un mélangeur et un diffuseur. La conduite 8 alimente la duse en fluide moteur. Cette conduite d'alimentation est fixe par rapport au dispositif de pompage. La duse est fixée sur un porte-duse 9 libre en rotation par rapport au corps 10 de la pompe. Un ensemble de paliers de roulement et de joint rotatif d'étanchéité 11 permet à l'ensemble duse 1 et porte-duse 9 d'être entraînés en rotation par l'intermédiaire d'une poulie 12, d'une courroie 13 et d'une motorisation 14, par exemple un moteur électrique. Un joint tournant 15 relie le porte-duse rotatif 6 2787838 9 à la conduite d'alimentation 8 stationnaire. Tous ces constituants mécaniques sont bien connus de l'homme du métier et ne seront donc pas plus décrits ici. La conduite 16 est liée à la source de fluide qui doit être pompé, la conduite 17 est la conduite de refoulement du mélange fluide pompé et fluide moteur. Un tel dispositif permet de faire tourner la duse autour de l'axe longitudinal du système de pompe à jet, dans l'un ou l'autre sens. Les figures 3a et 3b montrent la variante dans laquelle la duse comprend intérieurement, c'est à dire dans le canal 2 de fluide moteur, proche de l'extrémité 0 de la duse 1, des moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur de façon que le jet en sortie de duse soit animé toujours principalement d'un déplacement axial, mais combiné avec une composante rotative autour de l'axe longitudinal. Ainsi, le jet à la même forme que dans l'art antérieur, mais tourne autour de l'axe 20. Ces moyens de mise en rotation peuvent être réalisés de multiples façons. Par exemple, on peut placer sur une longueur de quelques centimètres (environ 10 cm) une bande plate 21 séparant le canal 2 en deux, ladite bande étant déformée en hélice de façon à former deux canaux hélicoïdaux débouchant juste en amont de la sortie de duse. Eventuellement, le pas de l'hélice peut être variable, en particulier en diminution du coté proche de l'orifice de la duse. On peut également déformer 2o en hélice un profilé en croix de largeur correspondante au diamètre intérieur de la duse de façon alors à créer quatre canaux hélicoïdaux. D'autres solutions peuvent être utilisées, par exemple, selon la figure 3b des ailettes 22 inclinées par rapport à l'axe longitudinal 20 et fixées sur un noyau 23 central de façon à constituer une turbine fixe qui forcera le fluide moteur à tourner autour de l'axe longitudinal. Cette variante ne présente d'intérêt pour améliorer le rendement énergétique que dans le cas o la duse mise en rotation par une motorisation externe et 7 2787838 indépendante de l'énergie du fluide moteur, c'est à dire en étant incorporée à un système selon la figure 2. Le sens de rotation de la duse ou du porte-duse est fonction du sens de rotation du jet de fluide moteur. Donc, si l'hélice des canaux internes à la duse ou les pales de la turbine sont sensiblement des hélices à gauche, la rotation devra être à droite, ou si les hélices sont à droite, la rotation de la duse devra être à gauche. Tableau 1: Art antérieur: Pompe à jet conventionnelle: duse et fixe et jet axial. M Rendement n 0,903 0,173 0,804 0,227 0,705 0,235 0,603 0,234 0,501 0,241 0,400 0,234 0,299 0,216 0,200 0,180 Ces valeurs servent de références pour comparer les variantes selon l'invention. Les dimensions de la pompe à jet de référence sont: diamètre intérieur de la duse et porte-duse = 30 mm; diamètre extérieur de la duse et porte-duse = 45 mm; diamètre de l'orifice de la duse = entre 6 et 8 mm (par exemple 6,7 mm); diamètre intérieur du corps de pompe = 66 mm; diamètre du col de mélangeur = environ 12 mm; longueur du mélangeur = environ 35 mm; 8 2787838 angle du diffuseur = environ 3 ; distance entre l'orifice de la duse et l'entrée du col = environ 10 mm. Le tableau 2 suivant donne les résultats obtenus pour le dispositif selon la O figure 3 (canaux hélicoïdaux à gauche) la duse étant entraînée à la vitesse V de rotation (tour/min) (rotation à droite). Tableau 2 M Rendement q V(tour/min) 0,6030 0,2731 0 0,6263 0,2810 94 0,6453 0,2904 188 0,6346 0,3142 282 0,6540 0,3116 376 0,6638 0,3160 470 0,6618 0,3012 564 Par rapport à la configuration de l'art antérieur, on note que le rendement augmente de 0,273 (rotation nulle) à 0,316 (rotation à 500 tours/min) pour des valeurs de M comprises entre 0,60 et 0,66. On obtient un gain de 0,082 par rapport à la référence. Le gain de rendement est maximum pour une rotation comprise entre 280 et 500 tours/min. La figure 4 montre en coupe et en perspective une autre variante de l'invention consiste à disposer des ailettes 24 sur le corps extérieur de la duse 1 ou du porte-duse 9 de façon à mettre en rotation le flux de fluide pompé. La figure 4 montre une série d'ailettes 24 disposées de façon régulière sur la surface extérieure de la duse ou du porte duse, à proximité du col, mais avant la partie convergente de la duse. Les ailettes peuvent être réalisées par des bandes hélicoïdales à droite ou à gauche. Dans le cas o la duse est fixe par rapport au corps de pompe, les 9 2787838 ailettes peuvent être indifféremment fixées sur le corps 4 ou sur le porte-duse 9, ou sur les deux. Dans une variante, on fait tourner la duse. La mise en rotation de la duse ainsi équipée d'ailettes extérieures devra être dans le même sens que celui de l'hélice des ailettes, soit ailettes à droite pour une rotation à droite. Les résultats d'essais donnés dans les tableaux 3 et 4 ont été obtenus respectivement avec une duse fixe et une duse en rotation à la vitesse de 500 tours/min. Les ailettes sont constituées par des pales hélicoïdales de longueur L et de hauteur correspondante à l'espace annulaire 3 entre le porte-duse 9 et le corps 4. Tableau 3: Ailettes extérieures, sans rotation de la duse M Rendement | 0,9470 0,1816 0,9470 0,1816 0,8112 0,2802 0,7047 0,2881 0,6071 0,2833 0,5052 0,2675 0,4012 0,2475 0,2998 0,2134 Le rendement est de l'ordre de 0,265 pour M compris entre 0,5 et 0,8. Le gain est de 0,047 pour M égal à 0,6 par rapport à la référence. Tableau 4: Ailettes extérieures, avec rotation de la duse (500 tours/min) M Rendement I 0,8460 0,1535 0,7996 0,3105 0,7035 0,3107 0,6071 0,2900 0,6016 0,2920 0,4000 0,2521 0,3036 0,2181 2787838 Le rendement maximum est de 0,31 pour M égal à 0,8 et de 0,29 pour M compris entre 0,5 et 0,8. Le gain maximum est de 0,09 par rapport à la référence avec M égal à 0,8. Les figures 5a et 5b montrent la variante selon l'invention dans laquelle la duse est équipé à la fois intérieurement de canaux hélicoïdaux (figure 5a), ou de turbine fixe 22, et d'ailettes extérieures 24. Le porte-duse 9 peut être équipé des moyens de rotation externe selon la figure 2. La rotation est à droite, les canaux intérieurs, ou la turbine22 sont en hélice à gauche et les ailettes externes 24 en hélice à droite. Les résultats sont donnés par les tableaux 5 et 6 pour un ensemble selon la figure 5 respectivement, avec duse immobile et duse mobile en rotation à 500 tours/min. M Rendement i 0,8460 0,1535 0,7996 0,3105 0,7035 0,3107 0,6071 0,2900 0,6016 0,2920 0,4000 0,2521 0,3036 0,2181 M Rendement 0,8479 0,1472 0,7837 0,3251 0,7084 0,3169 0,6035 0,3085 0,5047 0,2933 0,3866 0,2497 li 2787838 Le rendement maximum est de 0,325 pour M égal à 0,78 et de 0,30 pour M compris entre 0,4 et 0,78. Le gain maximum est de 0,098 par rapport à la référence avec M égal à 0,8. On constate donc que la rotation de la duse par des moyens d'entraînement externes et indépendants à l'énergie du fluide moteur ou pompé améliore le rendement des pompes à jet. De même, d'une manière surprenante, la mise en rotation du fluide pompé et/ou du fluide moteur améliore également sensiblement le rendement de ce type de pompe. 1 2 2787838 REVENDICATIONS 1) Dispositif de pompage à jet fluide comprenant une duse d'injection (1) d'un fluide moteur placée dans un conduit (3) comportant, d'amont en aval, un corps (4) sensiblement cylindrique, un col convergent (5), un canal de mélange (6) et un divergent (7), ladite duse est disposée à l'extrémité d'un porte-duse (9) dans l'axe longitudinal dudit conduit, le fluide pompé circule dans l'espace annulaire (3) compris entre le corps (4) et l'extérieur de la duse et du porte-duse, I'orifice de la duse a l'axe longitudinal pour axe de symétrie, caractérisé en ce que le dispositif est constitué selon l'une des combinaisons a) ou b) suivantes: a) le porte-duse comprend dans son canal intérieur (2) des moyens de mise en rotation (21; 22) de la veine de fluide moteur dans la duse et des moyens de mise en rotation (12, 13, 14) de la duse autour de l'axe longitudinal, lesdits moyens de rotation de la duse étant indépendants de l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé, le sens de rotation de la duse étant opposé au sens de rotation de la veine de fluide moteur; b) le porte-duse comprend sur sa surface extérieure des moyens de mise en rotation (24) de la veine de fluide pompé, tels que des pales inclinées par rapport à l'axe longitudinal; 2) Dispositif de pompage selon la revendication 1, dans lequel la combinaison b) comprend, en outre, dans son canal intérieur des moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur dans la duse. 3) Dispositif de pompage selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la duse est statique dans la combinaison b). 4) Dispositif de pompage selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, dans la combinaison b), le porte-duse comporte des moyens de mise en rotation de la duse, externes et indépendants de l'énergie du fluide moteur ou du fluide pompé. ) Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le sens de rotation de la duse est inverse par rapport au sens de rotation de la veine de fluide moteur. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de mise en rotation de la veine de fluide pompé sont constitués par un ensemble de pales réparties régulièrement sur l'extérieur du porte-duse et inclinées sur l'axe longitudinal d'un angle compris entre 10 et 50 degrés. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes dans lequel le sens de rotation de la veine de fluide pompé est identique au sens de rotation de l'ensemble duse et porte-duse. 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur sont constitués par une bande plate (21) de largeur sensiblement égale au diamètre intérieur du canal de la porte-duse, ladite bande étant en hélice dans ledit canal de façon à former deux canaux hélicoïdaux. 9) Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ladite bande en hélice est à pas variable, de préférence en diminution de pas du coté orifice de duse. ) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de mise en rotation de la veine de fluide moteur sont constitués par une turbine (22) fixe dans le canal de la duse. 11) Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour le pompage d'un effluent du fond d'un puits à la surface du sol.