Brevet FR2808456A1 — publié le 20011109

SEPARATEUR PAR GRAVITE POUR EFFLUENTS MULTIPHASIQUES L'invention se rapporte à un séparateur par gravité pour effluents multiphasiques. Une application privilégiée de l'invention concerne un séparateur pour un effluent issu de forages pétroliers, ledit effluent comprenant typiquement trois phases: une phase aqueuse, et des phases d'hydrocarbures liquides et gazeuses. Après le forage et la mise en sécurité d'un puits d'hydrocarbures, on met le puits en production pendant une période relativement brève afin d'identifier clairement la nature et l'importance de ses composants et d'estimer les capacités éventuelles de production du puits. Ces tests communément appelés well testing - font appel à des moyens de séparation des différentes phases de l'effluent (eau, huile et gaz). Les différentes phases étant de densités différentes, la séparation est effectuée en continu dans un séparateur vertical, dans lequel les phases décantent. En aval du séparateur, la phase aqueuse est rejetée, après une éventuelle purification complémentaire et les hydrocarbures sont brûlés. Au départ de l'étape de tests (communément appelés testing), la composition de l'effluent varie énormément. En effet, dans la mesure o le puits est au départ essentiellement encombré de résidus aqueux de fluide de forage et de fluide de complétion, on recueille un effluent essentiellement constitué d'eau. Puis, progressivement, le pourcentage de ces résidus aqueux diminue et la composition de l'effluent s'enrichit en huile et en gaz. Les séparateurs selon l'état de la technique étant dimensionnés pour traiter des effluents dont la répartition des phases reste sensiblement stable dans le temps, on ne peut diriger vers eux l'effluent au départ de l'étape de tests. On cherche dans ce cas à se débarrasser directement de l'effluent. Pour cela, on connait une première solution qui consiste à diriger directement l'effluent vers des brûleurs, sans aucune étape de séparation. Cependant, les brûleurs connus dans l'état de la technique ne fonctionnent efficacement que pour un mélange constitué au moins de 70 à 80% d'hydrocarbures. De ce fait, lorsqu'on dirige directement l'effluent vers ces brûleurs, on engendre une pollution de l'environnement relativement importante, du fait des hydrocarbures non consumés. Cette solution, qui pose de graves problèmes de pollution, n'est donc pas acceptable. Une autre solution connue consiste à récupérer cet effluent et à le stocker provisoirement dans des conteneurs, jusqu'à ce que la phase d'huile qu'il contient se sépare de la phase aqueuse et surnage dans lesdits conteneurs. On récupère alors la phase d'huile et on la dirige vers les brûleurs tandis qu'on élimine la phase aqueuse ainsi nettoyée. Bien que ce procédé engendre moins de risques pour l'environnement, il requiert la mise en place sur le site de séparateurs, ainsi que de conduites supplémentaires, équipements coûteux et volumineux. Une dernière méthode consiste à construire une installation indépendante pour traiter l'effluent lorsque le ratio multiphasique n'est pas stable. Cette méthode est écologiquement très satisfaisante mais multiplie les problèmes liés au coût et à l'espace occupé par les installations de traitement. Les problèmes logistiques sont alors particulièrement nombreux. L'invention vise à résoudre le problème de pollution lié au traitement d'un effluent dont le ratio multiphasique varie dans le temps, tout en évitant de recueillir des déchets qui devront être traités ultérieurement. Dans ce but, l'invention propose un séparateur par gravité pour un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique comportant au moins une première phase lourde et une deuxième phase surnageante, ledit séparateur comportant des moyens de réglage des caractéristiques géométriques de séparation. Le réglage des caractéristiques géométriques de séparation permet de traiter un effluent dont la répartition des phases n'est pas constante dans le temps. De ce fait, dans l'application à un effluent issu de forages pétroliers, le séparateur selon l'invention permet le traitement dudit effluent pendant toute la période o la répartition entre les trois phases, eau, huile et gaz, n'est pas stabilisée. Il est donc possible de traiter l'effluent dans le séparateur, quelles que soient les fluctuations de la répartition volumique des différentes phases en fonction du temps. Dans la mesure o le séparateur selon l'invention est suivi d'un brûleur, on envoie donc vers ce brûleur un mélange dont la composition en hydrocarbures permet un brûlage sans rejets nocifs pour l'environnement et on récupère, sans séparateur complémentaire, une phase aqueuse nettoyée. Le séparateur selon l'invention permet donc de préserver l'environnement sans recueillir de déchets à traiter par une installation annexe. Selon un exemple de réalisation avantageux de l'invention, les moyens de réglage des caractéristiques géométriques de séparation permettent de privilégier la séparation de certaines phases de l'effluent, prises seules ou en combinaison. Ceci permet d'intervenir sur les caractéristiques de la séparation afin de privilégier les temps de rétention d'une phase en particulier, selon qu'on souhaite obtenir un niveau de pureté plus important sur l'une ou l'autre des phases. Ceci est particulièrement intéressant si on veut obtenir une eau très propre, de telle sorte que l'on puisse, par exemple, rejeter directement cette dernière sans polluer l'environnement. L'invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins annexés. La liste des dessins est la suivante: - la figure 1 est une vue d'un séparateur selon un exemple de réalisation conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de ce séparateur; - la figure 3 est une vue d'un séparateur selon un autre exemple de réalisation conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue d'un séparateur selon un autre exemple de réalisation conforme à l'invention; - la figure 5a est une vue en coupe d'un détail d'un séparateur selon un exemple de réalisation conforme à l'invention; - la figure 5b est une vue perspective de ce même détail; - la figure 6 est une vue d'un détail d'un séparateur selon un autre exemple de réalisation conforme à l'invention; - la figure 7 est un exemple d'un dispositif d'entraînement lié à un séparateur selon un exemple de réalisation conforme à l'invention; Le séparateur selon l'invention permet de traiter un effluent dont les caractéristiques sont les suivantes: - au début de la phase de transition, l'effluent se compose de très peu d'hydrocarbures gazeux. La majeure partie du séparateur doit donc être dédiée à la séparation de la phase liquide-liquide, tandis que la place laissée à la phase gazeuse peut être minime. De plus, la majeure partie de la phase liquide-liquide est elle-même composée essentiellement d'eau, très peu d'huile surnagera donc sur ladite phase. - à la fin de la phase de transition et pendant la phase de séparation, l'effluent se compose majoritairement d'huile et de gaz. Par contre, le pourcentage d'eau dans l'effluent a considérablement diminué. Il faut donc prévoir dans le séparateur un maximum de place pour la phase d'huile puis pour la phase de gaz. La figure 1 représente un exemple de réalisation d'un séparateur 1, à décantation des phases par gravité, selon un exemple de réalisation conforme à l'invention. A titre d'exemple, ce séparateur 1 possède une forme sensiblement cylindrique, de la taille d'une citerne qu'on peut déplacer par camion. En effet, dans le cas d'un effluent issu de forage pétrolier, il faudra déplacer le séparateur de chantier en chantier, il est donc nécessaire d'avoir un séparateur de taille limitée. De manière connue, un séparateur de solides suivi d'un échangeur de chaleur et un brûleur, non représentés, se trouvent respectivement en amont et en aval dudit séparateur 1. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le séparateur 1 est muni d'une plaque de séparation 5 dont la hauteur est réglable en fonction de la composition de l'effluent. La plaque de séparation 5 délimite un premier compartiment pour une première phase lourde, l'eau, et un second compartiment alimenté par débordement de la phase d'huile, moins dense, et qui surnage au-dessus de la phase aqueuse Cette plaque de séparation 5 se compose d'un support 5a et de différentes plaquettes télescopiques 5b, se déployant verticalement vers le haut du séparateur 1 Comme représentés sur la figure 2, les contours du support Sa suivent les parois internes du séparateur 1, de forme sensiblement cylindrique. Les plaquettes mobiles 5b, de forme sensiblement rectangulaire, sont portées par le support 5a. La forme du support 5a et les dimensions des plaquettes rectangulaires 5b sont complémentaires pour former une section transversale complète du séparateur 1. De cette manière, l'ensemble de la plaque de séparation 5 constitue véritablement un obstacle étanche sur une certaine hauteur, à l'intérieur du séparateur 1. Les plaquettes 5b peuvent donc se déployer graduellement de manière à former une plaque de séparation à hauteur variable. De ce fait, plus on déploie la plaque de séparation télescopique 5, plus on autorise un haut niveau d'eau et un temps de rétention important de l'effluent dans le séparateur. Les plaquettes 5a de la plaque télescopique de séparation 5 sont reliées les unes aux autres. Lorsqu'il est nécessaire d'augmenter légèrement la hauteur de la plaque de séparation 5, la première plaquette est sortie et se place verticalement dans le prolongement des autres plaquettes. En fonction de la hauteur voulue pour la plaque de séparation, les plaquettes 5b sont successivement sorties et chaque nouvelle plaquette incrémente verticalement la dernière plaquette en place. En position basse, toutes les plaquettes 5b sont rentrées à l'intérieur du support 5a dont elles ne dépassent pas. Dans l'exemple de réalisation représenté, compte tenu de l'encombrement du support et des plaquettes, la hauteur nominale de la plaque de séparation 5, toutes plaquettes rentrées, représente sensiblement 30% de la hauteur du séparateur. Dans ce même exemple de réalisation, en position haute, une fois toutes les plaquettes 5b déployées, la hauteur de la plaque de séparation 5 représente sensiblement 65% de la hauteur totale du séparateur 1. Un chevauchement desdites plaquettes 5b est également prévu afin d'assurer une étanchéité convenable entre chaque plaquette tout en ne gênant pas le déplacement de ces dernières les unes par rapport aux autres. En sortie de séparateur 1, se trouvent trois conduites. Les phases eau et huile sont récupérées respectivement par des conduites 2 et 3 placées en fond de séparateur. La phase gazeuse est récupérée par une conduite 4 qui, à titre d'exemple, achemine les gaz vers un brûleur, non représenté. A titre d'exemple, ce brûleur est une torchère. La première conduite 2 d'évacuation de la phase aqueuse est liée à une conduite la de récupération de la phase aqueuse qui se trouve en partie basse du séparateur 1, en amont de la plaque de séparation 5. Un turbidimètre, non représenté, permet de déterminer en sortie de séparateur 1, le pourcentage d'huile dans l'eau rejetée. Dans un exemple de réalisation, l'eau est ensuite dirigée par la conduite 2 vers une unité de retraitement complémentaire, non représentée et connue selon l'état de la technique. La seconde conduite 3 d'évacuation de la phase d'huile est liée à une conduite de récupération lb de l'huile qui se situe également en partie basse du séparateur 1. Un capteur sur la conduite d'évacuation 3 permet de déterminer le pourcentage d'eau dans l'huile sortant du séparateur 1. On peut réguler le débit d'eau envoyé vers la conduite d'évacuation 2 de telle sorte que le niveau des phases liquides n'excède pas la hauteur de la plaque télescopique de séparation 5. De même, le débit d'huile envoyé vers le brûleur est régulé de telle sorte qu'à l'intérieur du séparateur ladite huile puisse toujours s'écouler par débordement au-dessus de la plaque télescopique de séparation 5. Typiquement, au début de la phase de transition, le pourcentage d'eau étant particulièrement élevé dans l'effluent, la plaque de séparation 5 sera à sa hauteur maximale. Ceci, et la régulation du débit d'eau en sortie de séparateur, assurera un temps maximal de rétention de l'eau et donc une séparation des phases d'eau et d'huile particulièrement efficace. Par la suite, le pourcentage d'eau diminue dans l'effluent tandis que le pourcentage d'huile augmente. On réduira alors progressivement la capacité du compartiment réservé à l'eau, c'est-à-dire la hauteur de la plaque télescopique de séparation 5. Le séparateur 1 selon l'invention permet donc de répondre aux changements de composition de l'effluent tels que précédemment indiqués. En effet, les caractéristiques de séparation du séparateur sont réglables en fonction de la composition de l'effluent. Ainsi, quelle que soit l'évolution de la répartition volumique des différentes phases de l'effluent en fonction du temps, le séparateur s'adapte continuellement à ladite répartition afin de séparer lesdites phases. Avec le séparateur selon l'invention, il est possible de traiter un effluent pétrolier pendant la phase de transition, quand la répartition entre les phases d'huile, d'eau et de gaz n'est pas stabilisée. De ce fait, le séparateur conforme à l'invention permet de traiter l'effluent en continu, dès sa sortie du puits, sans engendrer de pollution de l'environnement, ni de déchets à traiter séparément. La figure 3 représente un autre exemple de séparateur selon un exemple de réalisation conforme à l'invention. Dans cet exemple de réalisation, il n'est plus question de placer dans le séparateur 1 une plaque de séparation télescopique 5, la séparation ne se faisant plus par débordement de la phase d'huile par-dessus ladite plaque de séparation 5. La phase d'eau comme la phase d'huile peuvent donc s'étendre sur toute la longueur du séparateur 1. Cette solution permet d'accroître la capacité de rétention d'eau du séparateur 1. La conduite de récupération 1 a de la phase aqueuse se situe en partie basse du séparateur 1, sensiblement à l'extrémité opposée au conduit d'admission de l'effluent à l'intérieur dudit séparateur. De cette manière; cette conduite de récupération la, se situe dans une zone o la séparation entre les deux phases liquides de l'effluent est optimale. La conduite 2 d'évacuation de la phase aqueuse est liée à ladite conduite la de récupération. Afin d'éviter tout phénomène de turbulences, ce qui gênerait la séparation des phases liquides, une chicane lc, à titre d'exemple, est placée juste au-dessus de la conduite de récupération la de l'eau. La conduite 3 d'évacuation de la phase d'hydrocarbures se trouve également en partie basse du séparateur 1. Une conduite de récupération lb est liée à cette conduite 3 d'évacuation. Cette conduite de récupération lb se compose d'un tube télescopique comportant des cylindres coaxiaux capables de s'étendre progressivement les uns au-dessus des autres, verticalement du haut vers le bas, à l'intérieur du séparateur 1. La conduite de récupération lb se termine par une bouche d'aspiration 6 dont des exemples de réalisation sont représentés plus en détail aux figures 5a, 5b et 6. La conduite de récupération lb est alors plus ou moins déployée, afin de positionner, quel que soit le ratio muliphasique de l'effluent, la bouche d'aspiration 6 au milieu de la phase d'huile. Pendant la phase de transition, la conduite lb est donc étendue au maximum, de manière à placer la bouche d'aspiration 6 haut dans le séparateur, dans la phase d'huile, et à laisser un maximum de volume du séparateur pour la phase aqueuse. Puis, en fonction de l'évolution de la composition de l'effluent, la conduite de récupération lb sera progressivement descendue. En fait, on règle la position de la bouche d'aspiration 6 de telle sorte que le pourcentage d'eau dans la phase d'huile en sortie de séparateur ne dépasse pas 30%. Ceci pour garantir un fonctionnement efficace des brûleurs en sortie de séparateur et donc éviter tout rejet d'hydrocarbures non consumés dans l'environnement. La figure 4 représente un exemple préféré de réalisation d'un séparateur selon l'invention. Dans cet exemple de réalisation, la conduite de récupération lb de l'huile est un soufflet de forme sensiblement cylindrique, en matériaux souples tels des matériaux plastiques. Dans l'exemple de réalisation représenté et pour des questions d'encombrement liées aux matériaux du soufflet lb, la hauteur nominale du soufflet correspond sensiblement à 30% de la hauteur du séparateur 1, tandis qu'une fois totalement détendu, le soufflet lb possède une hauteur représentant sensiblement 65% de la hauteur dudit séparateur 1. En partie terminale du soufflet lb se trouve une bouche d'aspiration 6 selon l'un ou l'autre des exemples de réalisation représentés aux figures 5a, 5b et 6. L'utilisation d'un soufflet souple présente de nombreux avantages: c'est un système léger et peu onéreux et qui de plus ne pose pas les problèmes d'étanchéité et de coulissement d'un système de déploiement télescopique. On prévoira avantageusement un dispositif de guidage, constitué par exemple de quatre tuteurs. De la même manière que précédemment décrit pour la conduite de récupération télescopique, le soufflet lb est plus ou moins détendu en fonction de la répartition mulitphasique de l'effluent, de manière à toujours positionner la bouche d'aspiration 6 au milieu de la phase d'huile. Pendant la phase de transition, le soufflet lb est donc à sa hauteur maximale, laissant un maximum de place à la phase aqueuse. Puis, tout au long des variations de l'effluent, on règle la hauteur dudit soufflet lb afin de récupérer une huile dont la teneur en eau sera compatible avec un rendement efficace des brûleurs en sortie de séparateur, c'est-à-dire une teneur en eau ne dépassant pas 30% dans la phase d'huile. Les figures Sa et 5b représentent un premier exemple de réalisation d'une bouche d'aspiration 6 dans des séparateurs conformes à l'invention. Cette bouche d'aspiration se compose principalement d'un couvercle 6a surmontant une collerette 6b. De cette manière, l'aspiration de l'huile se fait radialement par l'espace libre entre le couvercle 6a et la collerette 6b. Cette géométrie particulière permet de diminuer les turbulences à l'admission de l'huile dans 1l la conduite de récupération lb, ce qui évite les risques d'admission d'eau ou de gaz et les risques de création d'un vortex. L'espace entre les deux parties 6a et 6b est suffisamment petit afin de positionner facilement la bouche d'aspiration 6 au niveau le plus "propre " dans la phase d'huile, pour récupérer ces derniers sans les risques précédemment évoqués. La figure 6 représente un autre exemple de réalisation d'une bouche d'aspiration 6. Cette bouche possède sensiblement la forme d'un cylindre surmonté d'un bec de canard. L'aspiration est radiale et on peut orienter la bouche d'aspiration 6 afin de la situer au mieux dans la phase d'huile surnageante. La position de la bouche d'aspiration 6 dans la phase d'huile, à quel moment que ce soit dans le procédé de séparation, est réglable. Dans un exemple de réalisation, la bouche d'aspiration 6 est d'abord positionnée au milieu de la phase d'huile. Puis, dans un second temps, cette position est réajustée. Pour ce faire, afin de prendre en compte l'épaisseur de la bouche d'aspiration 6, on décide de placer ladite bouche, dans la phase d'huile dans une zone allant de % au-dessus de l'interface entre les deux liquides à 5% au-dessous du niveau du liquide. Ceci permet de maintenir un pourcentage d'eau inférieur à % dans l'huile en sortie de séparateur, ce qui est compatible avec les brûleurs selon l'état de la technique. La position de la bouche d'aspiration est réajustée en fonction de l'évolution des mesures en sortie de séparateur. La figure 7 représente un dispositif d'actionnement des différents systèmes précédemment décrits. En effet, ce dispositif permet d'entraîner la conduite de récupération lb, sous forme de soufflet comme sous forme de tube télescopique, aussi bien que la plaque de séparation télescopique 5. Comme représenté à la figure 7, le dispositif d'actionnement se compose d'un moyen d'actionnement 8 pneumatique, hydraulique ou électrique relié, par l'intermédiaire d'un dispositif de réduction 10, à une vis sans fin 11, située à l'intérieur du séparateur 1. La vis sans fin 1 1 est destinée à entraîner une tige filetée 12, elle-même reliée, comme représenté sur la figure 7 à la bouche d'aspiration 6 ou à la première plaquette de séparation 5b. Dans un autre exemple de réalisation, le moyen moteur du dispositif d'actionnement est situé en dehors du séparateur et est relié à un dispositif d'entraînement constitué d'un bras de levier lié à la conduite de récupération lb (i.e. le soufflet ou les cylindres du tube télescopique) ou aux plaquettes de séparation 5b. Le dispositif d'entraînement possède alors des moyens de démultiplication de la translation. Le séparateur selon l'invention permet donc d'adapter les caractéristiques géométriques de la séparation à toute composition de l'effluent. De plus, hormis les réglages géométriques des moyens de séparation, on peut varier les débits des différentes phases en sortie de séparateur et privilégier ainsi le temps de rétention de l'eau ou de l'huile ou de ces deux phases liquides. On récupère alors en sortie de séparateur, soit une eau très pure, soit une huile débarrassée de toute eau. Quel que soit le ratio multiphasique de cet effluent, le réglage permanent des caractéristiques géométriques de la plaque télescopique 5 ou des conduites de récupération lb permet une séparation efficace desdites phases et donc une utilisation optimale des brûleurs en sortie de séparateur. On protège ainsi l'environnement de tous rejets nocifs, tout en évitant le traitement de déchets supplémentaires par des installations annexes et coûteuses. De plus, en ne changeant pas de manière fondamentale les pièces constitutives d'un séparateur connu dans l'état de la technique, le séparateur selon l'invention est particulièrement économique et facilement réalisable. Ce séparateur est également utilisable après la phase de transition, lorsque la composition de l'effluent est stabilisée, puisqu'il suffira de bloquer les niveaux de la plaque de séparation ou de la conduite de récupération. De ce fait, le séparateur conforme à l'invention est aussi utilisable pour des effluents dont le ratio multiphasique est constant. Le séparateur selon l'invention est donc d'une utilisation particulièrement polyvalente. Revendications [1] Séparateur par gravité pour un effluent formé d'un mélange fluide multiphasique comportant au moins une première phase lourde et une deuxième phase surnageante, caractérisé en ce que ledit séparateur comporte des moyens de réglage (5, lb) des caractéristiques géométriques de séparation. [2] Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de réglage (5, lb) des caractéristiques géométriques de séparation permettent de privilégier la séparation de certaines phases de l'effluent, prises seules ou en combinaison. [3] Séparateur selon la revendication 2, dans lequel une plaque de séparation (5) est destinée à délimiter un premier compartiment pour la première phase de l'effluent et un second compartiment alimenté par débordement de la deuxième phase au-dessus de ladite plaque de séparation, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques de ladite plaque de séparation (5) sont réglables en fonction de l'évolution de la répartition desdites phases dans ledit effluent. [4] Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque de séparation (5) comporte un support (5a) et des plaquettes télescopiques (5b), lesdites plaquettes (5b) se déployant verticalement vers le haut du séparateur (1). [51 Séparateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support (5a) et les plaquettes (5b) occupent une section transversale complète du séparateur (1), de manière à former un obstacle étanche sur une hauteur réglable, à l'intérieur dudit séparateur (1). [6] Séparateur selon la revendication 2, du type comportant un moyen de récupération (lb, 6) de la phase surnageante dans ledit séparateur, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques dudit moyen de récupération (lb, 6) qui traverse la phase lourde, sont réglables en fonction de l'évolution du s ratio multiphasique de l'effluent. [7] Séparateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de récupération de la phase surnageante (lb, 6) est un tube télescopique (lb) comportant des cylindres coaxiaux s'étendant progressivement les uns au- dessus des autres en fonction du ratio multiphasique de l'effluent. [8] Séparateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de récupération de la phase surnageante (lb, 6) est un soufflet souple (lb) se déployant en fonction du ratio multiphasique de l'effluent. [9] Séparateur selon la revendication 8, caractérisé en ce que des moyens de guidage étayent le soufflet de manière à diriger verticalement ce dernier à l'intérieur dudit séparateur (1). [10] Séparateur selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le moyen de récupération de la phase surnageante (lb, 6) comporte une bouche d'aspiration (6) radiale et/ou directionnelle.