Brevet FR2875260A1 — publié le 20060317

La présente invention concerne un système de neutralisation de bouchons ou accumulations de liquide au pied d'une portion de conduite fortement inclinée par rapport à l'horizontale, ou "riser", se raccordant à une conduite d'acheminement de fluides polyphasiques en circulation, tels que des hydrocarbures, par introduction contrôlée de gaz prélevé des fluides en circulation. Afin de rendre les gisements en eaux profondes ou les champs marginaux suffisamment rentables, les compagnies pétrolières doivent développer de nouvelles techniques d'exploitation, les plus économiques possible. Ainsi, il s'avère plus avantageux de transporter directement le mélange diphasique, constitué de liquide (huile et souvent accompagnée d'eau) et de gaz, dans une seule conduite, ou pipeline, vers une plate-forme de traitement en eaux peu profondes ou même vers des installations terrestres, pour y être séparé. On utilise à cet effet une portion de conduite fortement inclinée par rapport à l'horizontale (souvent proche de la verticale) dite riser par les spécialistes, qui se raccorde à la conduite de production ("flowline") en eaux profondes. Cependant, le gaz et le liquide étant transportés ensemble, des phénomènes d'instabilité dans les écoulements peuvent se produire dans la zone de raccordement avec le riser qui entraînent de graves problèmes d'exploitation. En particulier, lorsque les débits de gaz et de liquide à l'entrée sont faibles, la phase liquide s'accumule dans les points bas de la conduite et bloque le passage du gaz. La pression en amont augmente et finit par expulser le bouchon de liquide. Ces phénomènes d'accumulation peuvent diminuer la productivité et remplir de liquide des conduites et équipements destinés à recevoir du gaz, en aval des séparateurs. L'un d'eux, qui est plus connu parmi les spécialistes sous le nom de severe siugging a donné lieu à de nombreuses études, soient expérimentales au moyen de boucles d'essai, soient par simulation par des logiciels de simulation tels que par exemple le code de simulation TACITE qui a fait l'objet notamment des brevets ou demandes de brevet suivants: US-5550761, FR 2756044 (US-6028992) et FR 2756045 (US-5960187), FR 00/08200 et FR 00/09889 du demandeur. Une technique connue des spécialistes sous le nom de gas lift permet de remédier à ce phénomène. Elle consiste essentiellement à injecter en permanente du gaz à la base du riser pour empêcher l'accumulation de liquide en bas de la colonne. A défaut de bien contrôler le phénomène, on est conduit à injecter le plus souvent de grandes quantités de gaz, ce qui rend nécessaire l'utilisation de moyens de compression importants. De plus, l'injection de grandes quantités de gaz modifie le rapport volumétrique du gaz au liquide (GOR), ce qui complique les opérations de séparation des phases en haut du riser . Ainsi, la présente invention concerne un système intercalé entre la base d'une colonne montante et une conduite de collecte de puits de production d'un effluent constitué d'au moins une phase gazeuse et une phase liquide, comportant: ^ une capacité comprenant un orifice d'entrée pour l'effluent et deux 30 orifices de sorties, l'un en partie supérieure de ladite capacité pour la phase gaz, l'autre en partie inférieure pour la phase liquide en communication avec la base de la colonne montante, ^ une conduite d'introduction de gaz reliant l'orifice de sortie du gaz à la colonne montante à une hauteur H prédéterminée, et comprenant une vanne de régulation de débit, ^ un ensemble d'instrumentation pour repérer le niveau de l'interface liquide/gaz dans la capacité, ^ un calculateur recevant les données de l'instrumentation pour déterminer les consignes de pilotage de ladite vanne de régulation de façon à régler le volume de gaz introduit à la hauteur H dans la colonne montante, et conjointement le niveau de l'interface liquide/gaz. L'ensemble d'instrumentation peut comprendre au moins deux capteurs de pression, l'un pour la pression du gaz et l'autre au niveau de la sortie du liquide. Le calculateur peut déterminer le volume de gaz introduit en prenant en compte la variation du débit de la phase gazeuse et/ou de la phase liquide. Une conduite de by-pass, ou de dérivation, relie la conduite de collecte à la colonne montante sans passer par la capacité. L'axe principal de ladite capacité peut être proche de la verticale, et 20 dans lequel l'axe de la colonne montante peut être sensiblement confondu avec celui de la capacité. La hauteur H est de préférence au moins supérieure à 90 m. La présente invention s'applique avantageusement au contrôle des bouchons de liquide du type "severe slugging" à la base d'une colonne 25 montante. La présente invention sera mieux comprise et des avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement la structure de la présente invention, - les figures 2a et 2b montrent deux exemples de réalisation. La figure 1 montre une capacité 1 qui a pour fonction primaire de permettre d'effectuer une séparation relativement grossière du gaz et des phases liquides. Le gaz, recueilli en partie supérieure de la capacité, est évacué par une canalisation secondaire 2 sur laquelle est placée une vanne de contrôle 3. Les phases liquides (contenant éventuellement quelques particules solides entraînées, comme du sable) sont évacuées en partie basse 4 de la capacité. Le gaz et les phases liquides sont ensuite re-combinées dans le riser 5 par l'entrée 21 à laquelle aboutie la canalisation secondaire 2. Cette entrée se trouve à une hauteur H de la base du riser où les bouchons de liquide apparaissent. Cette hauteur est déterminée, compte tenu de l'environnement, des conditions de production de l'effluent, pour que l'action d'allègement de la colonne hydrostatique ("gas-lift") créée par l'introduction du gaz dans la colonne de liquide dans le riser puisse stabiliser la boucle de régulation du système en commandant la vanne 3 de régulation. En effet, il est clair pour l'homme du métier, qu'une hauteur trop faible ne peut pas permettre un contrôle efficace de l'écoulement. La séparation est ici qualifiée de "grossière" car selon l'invention, on ne cherche pas à obtenir une séparation parfaite du gaz et des phases liquides, mais les tolérances concernant le débit de gaz entraîné dans la sortie des phases liquide, comme le débit de gouttelettes liquides entraînées vers la sortie gaz, peuvent être moins sévères que celles qui sont prescrites habituellement pour les séparations de phase. Le critère principal est que les débits de liquide entraînés par le gaz ne 30 perturbent pas le fonctionnement du système de contrôle et de commande de la vanne de régulation 3, et plus précisément que les pressions mesurées par l'instrumentation décrite ci-dessous, du fait des densités apparentes moyennes du gaz comportant des particules liquides et du liquide gazé, n'entraînent pas une erreur importante dans la position calculée de l'interface gaz/liquide. Il en résulte que le dimensionnement de la capacité 1 du système, exprimé selon les habitudes de l'homme de l'art, en temps de rétention des phases liquide, n'est pas très contraignant. Ce temps de rétention dépend de la viscosité des phases liquides à la température d'écoulement selon des formules connues de l'homme de l'art, mais peut être de l'ordre de une minute à quelques minutes. Il n'est pas nécessaire de prévoir les équipements internes complexes dans la capacité de séparation qui sont souvent utilisés pour améliorer l'efficacité de la séparation, comme des plaques de coalescence. Seule une plaque brise-jet 6 peut être placée devant l'entrée 7 du fluide pour limiter l'agitation au niveau de l'interface gaz/liquide 8. Un dispositif de nettoyage (non représenté) interne par jet d'eau sous pression, constitué d'une canalisation munie de tuyères peut être incorporée si la nature de l'effluent laisse prévoir la possibilité de dépôts solides. Il résulte également de la fonction de la capacité de séparation, qu'il peut être admis que du gaz s'écoule temporairement par la sortie des phases liquides, et également du liquide par la sortie gaz. Pour cette raison, il n'est pas nécessaire de prévoir une instrumentation sur le contrôle du niveau de l'interface gaz/liquide, ni d'alarmes de niveau haut ou bas avec arrêt entraînant une fermeture de la canalisation ou des puits en cas de dépassement de seuils d'alarme. Le niveau intérieur de l'interface gaz/liquide peut donc fluctuer dans toute l'étendue de la hauteur de la capacité. Le dimensionnement du volume de cette capacité repose principalement sur la taille des bouchons successifs de liquide et de gaz qui se traduisent par des fluctuations du niveau de l'interface et que le système doit accepter en fonctionnement normal. La taille de ces bouchons dépend essentiellement de la configuration de la canalisation en amont de la capacité, notamment de l'existence de points bas permettant l'accumulation de liquide, et des caractéristiques d'écoulement des puits. Des études de simulation d'écoulement effectuées avec un logiciel tel que celui mentionné ci-dessus, permettent d'évaluer la taille des bouchons. La forme de l'enveloppe extérieur de la capacité de séparation peut être quelconque, mais de préférence constituée d'une partie cylindrique terminée de deux fonds hémisphériques ou elliptiques pour résister au mieux à la pression hydrostatique exercée par le milieu marin extérieur, comme à la pression interne de l'effluent pétrolier. La capacité peut être disposée avec l'axe du cylindre disposé horizontalement (figure 2a) ou verticalement (figure 2b). La géométrie interne de la capacité est conçue pour éviter des zones de fluide à faible vitesse d'écoulement qui sont propices à des dépôts de particules solides, notamment du sable. Pour éviter ces dépôts, l'effluent doit être accéléré près de la sortie des phases liquides. Une géométrie à section progressivement variable en forme de trémie est particulièrement favorable à cet égard. Une telle forme s'adapte bien sur une capacité disposée verticalement. Il peut être avantageux d'installer une conduite de "by-pass" 10 de la capacité de séparation en cas d'ensablement ou de démontage pour réparation ou entretien (figure 2a). Ces vannes peuvent être opérées par un R.O.V. (petit véhicule sous-marin télécommandé). La conduite 11 est reliée aux têtes de puits de production, la conduite 12 est reliée à la base du riser de production, la conduite 13 correspond à la conduite d'introduction du gaz dans la colonne montante ou riser. La capacité peut être disposée à côté de la base du riser sur le socle de 25 fondation du riser ou à une faible distance, sur un socle indépendant. Dans ce cas les jonctions des canalisations entre la capacité et le riser seront réalisées par des dispositifs de connexions connus des spécialistes sous le nom de "j umpers". Selon l'architecture illustrée schématiquement sur la figure 2b, il est 3o également possible de placer la capacité dans le prolongement vertical du riser 14 et de connecter directement le riser sur la capacité. Dans ce cas, la fondation 15 de la capacité de séparation fait aussi office d'ancrage pour le riser. La vanne de contrôle 3 est destinée à réguler le débit de gaz dans le riser. Le type de vanne et ses dimensions sont déterminés en fonction du débit nominal de gaz et de la perte de charge à assurer pour ce débit nominal. Comme le fluide qui la traverse est du gaz humide, avec des gouttelettes de liquide à haute vitesse, elle sera exposée à la possibilité d'une usure par érosion du métal. La disposition de cette vanne est adaptée à pouvoir effectuer des interventions aisées pour remplacer ses pièces internes. A cet effet, elle pourra avantageusement être placée sur la capacité. L'actionneur 9 de la vanne 3 peut être hydraulique ou électrique impliquant alors soit un câble électrique, soit un ombilical hydraulique. Ces configurations sont connues de l'état de l'art. Etant donné que le point d'injection du gaz dans la colonne montante peut être situé à une hauteur assez importante au-dessus de la vanne de contrôle, la canalisation d'injection 13 peut être fixée le long de la colonne montante, à l'extérieur de celle-ci ou à l'intérieur. Le calculateur 20 (figure 1) pour déterminer les commandes à l'actionneur de la vanne est en surface, et reçoit les mesures de l'instrumentation Pl et Pg par tous les moyens connus: par exemple un câble ou une transmission radio. L'instrumentation sera de préférence dupliquée pour assurer une redondance et installée verticalement pour faciliter les interventions de remplacement. Elles sont idéalement à installer dans la capacité de séparation simplifiant du même coût les interventions de maintenance. En effet, le contrôleur cherche à positionner l'interface gaz/liquide dans le séparateur à une certaine hauteur de référence ce qui est équivalent à faire tendre la différence de pression entre les deux capteurs vers la valeur de référence LPref. Elle se limite à des instruments de mesure de pression et des transmetteurs de pression sont disponibles pour des profondeurs d'eau d'au moins 2500 m. Le contrôleur de l'actionneur est de type Proportionnel/Intégral permettant une réponse rapide en proportionnel pour stabiliser l'interface à une certaine hauteur, puis la fonction Intégrale stabilise lentement cette interface à la hauteur de référence. Le point d'introduction du gaz dans la colonne montante (hauteur H selon la figure 1) est déterminé, ainsi que la valeur des coefficients du contrôleur de l'actionneur. Dans un premier temps, on intègre dans l'espace les lois physiques de conservation de la masse de chaque phase et de la quantité de mouvement, pour obtenir un modèle de type algébro-différentiel similaire à celui de Taitel décrit dans son article "Stability of Severe Slugging", Int. J. Multiphase Flow, 12 (1986), pp. 203-217, et dépendant des caractéristiques du système, en particulier, la géométrie des conduites et canalisations, la pression de l'effluent en sortie de tête de puits de production, les débits et les densités moyennes de chaque phase, la hauteur verticale de la colonne montante. Dans un deuxième temps, on utilise les techniques et lois classiques de l'Automatique pour rechercher la stabilité de ce type de système, et on en déduit les relations donnant la hauteur minimale H du point d'introduction du gaz, ainsi que les valeurs optimales des coefficients du contrôleur PI, permettant de générer une commande qui stabilise la position de l'interface gaz/liquide. Pour des conditions de production classiques en huile et gaz, on a déterminé que la hauteur H du point d'injection doit être supérieure à au moins 90 m, pour une tranche d'eau traversée par la colonne montante d'environ 500 m, environ 170 m pour une tranche d'eau d'environ 1000 m, environ 240 m pour une tranche d'eau d'environ 1500 m, environ 320 m pour une tranche d'eau d'environ 2000 m. A noter aussi que ce système ne perturbe pas l'écoulement lorsque l'on n'est pas en condition de severe slugging et qu'alors, il peut soit être en fonctionnement, soit être stoppé en fermant la vanne. REVENDICATIONS 1) Système intercalé entre la base d'une colonne montante et une conduite de collecte de puits de production d'un effluent constitué d'au moins une phase gazeuse et une phase liquide, comportant: ^ une capacité (1) comprenant un orifice d'entrée pour l'effluent et deux orifices de sorties, l'un en partie supérieure de ladite capacité pour la lo phase gaz, l'autre en partie inférieure pour la phase liquide en communication avec la base de la colonne montante (5), ^ une conduite d'introduction de gaz (2) reliant l'orifice de sortie du gaz à la colonne montante à une hauteur H prédéterminée, et comprenant une vanne de régulation de débit (3), ^ un ensemble d'instrumentation pour repérer le niveau de l'interface liquide/gaz, ^ un calculateur (20) recevant les données de l'instrumentation pour déterminer les consignes de pilotage de ladite vanne de régulation de façon à régler le volume de gaz introduit à la hauteur H dans la colonne montante. 2) Système selon la revendication 1, dans lequel l'ensemble d'instrumentation comprend au moins deux capteurs de pression, l'un pour la pression du gaz et l'autre au niveau de la sortie du liquide. 3) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le calculateur détermine le volume de gaz introduit en prenant en compte la variation du débit de la phase gazeuse et/ou de la phase liquide. Il 4) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une conduite de by-pass relie la conduite de collecte à la colonne montante. 5) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'axe 5 principal de ladite capacité est proche de la verticale, et dans lequel l'axe de la colonne montante est sensiblement confondu avec celui de la capacité. 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la hauteur H est au moins supérieure à 90 m. 7) Application du système selon l'une des revendications précédentes au contrôle des bouchons de liquide du type "severe slugging" à la base d'une colonne montante.