Brevet FR2911794A1 — publié le 20080801

La présente invention est relative à un procédé de séparation des phases d'un fluide multiphasique en écoulement comprenant au moins une phase liquide et une phase gazeuse, suivant lequel on fait passer ledit fluide dans une unité de séparation desdites phases par différentiel gravitaire. La présente invention est aussi relative à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Des dispositifs de ce type sont actuellement couramment intégrés dans des moyens d'exploitation de gisements pétroliers en mer, notamment de gisements profonds pour lesquels la pression dans les réservoirs d'hydrocarbures est relativement faible. La contre-pression hydrostatique due à la grande profondeur est alors relativement forte. On comprend que ces deux effets se conjuguent pour s'opposer à la récupération du contenu des réservoirs et ceci d'autant plus que les pressions de réservoir chutent dans le temps au fur et à mesure de l'exploitation du gisement. De manière connue on contre ces effets en installant des pompes submersibles dans les conduites qui assurent la remontée à la surface de la production des puits du gisement. Cette opération n'est cependant pas sans difficultés du fait de la structure multiphasique du fluide ainsi remonté, ce fluide étant couramment composé d'eau, de gaz et d'huile , cette huile étant l'effluent liquide que l'on cherche à récupérer. En effet les pompes dites multiphasiques conçues pour s'accommoder d'un tel fluide sont d'efficacité et de fiabilité limitées. En outre, ces pompes acceptent mal un gaz pur, alors qu'un puits peut produire en alternance du gaz et du liquide. Enfin leur prix est élevé et leur consommation d'énergie électrique coûteuse. Pour pallier ces inconvénients on sépare les phases liquide et gazeuse des fluides produits par les puits de pétrole sous-marins. Seule l'huile de la phase liquide est reprise par des pompes pour être remontée en surface, la phase gazeuse remontant naturellement, sans pompage. On bénéficie ainsi d'une réduction des pertes de charge en ligne par rapport à celles que l'on observe quand les deux phases sont mélangées. On supprime aussi les problèmes d'écoulement en alternance des deux phases, par "poches", mentionnés plus haut. Enfin on peut utiliser des pompes monophasiques pour remonter l'huile, pompes qui sont moins coûteuses à l'achat, plus efficaces, plus fiables et de consommation électrique plus faible que les pompes multiphasiques évoquées ci-dessus. La séparation des phases gazeuse et liquide est actuellement couramment obtenue au moyen d'une unité de séparation, ou "séparateur", exécutant un processus de décantation, dit "différentiel gravitaire ". L'efficacité de ce processus est fonction de la composition et de divers paramètres thermodynamiques du fluide à traiter, du temps passé par le fluide dans le séparateur et du régime d'écoulement de ce fluide à l'entrée du séparateur (par poches, stratifié, annulaire, avec bulles, etc....). L'installation d'un tel séparateur, sur un fond de grande profondeur et donc peu accessible, limite considérablement les possibilités d'intervention sur le matériel en cas de séparation défectueuse des phases, laissant du gaz dans la phase liquide et/ou du liquide dans la phase gazeuse. Une telle situation est dangereuse pour les équipements, notamment de surface, qui ont pour fonction de faire circuler ou de traiter les phases ainsi imparfaitement séparées. Il existe donc un besoin pour un procédé et un dispositif permettant d'assurer un fonctionnement aussi parfait que possible du séparateur, avec un minimum de maintenance. La présente invention a précisément pour but de fournir ce procédé et ce dispositif. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un procédé de séparation des phases d'un fluide multiphasique en écoulement comprenant au moins une phase liquide et une phase gazeuse, suivant lequel on fait passer le fluide dans une unité de séparation des phases par différentiel gravitaire, ce procédé étant remarquable en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) on tranquillise et on stratifie l'écoulement du fluide préalablement à son traitement dans l'unité de séparation, b) on prélève sur le fluide tranquillisé et stratifié au moins des premier et deuxième courants de fluide concentrés en gaz et en liquide respectivement et, c) on délivre ces premier et deuxième courants à des premier et deuxième niveaux du fluide contenu dans l' unité de séparation, ce premier niveau étant plus élevé que le deuxième de manière à renforcer le processus de séparation par différentiel gravitaire développé par l'unité de séparation. Comme on le verra en plus de détail dans la suite, l'efficacité de ce processus est renforcée d'une part, par la tranquillisation et la stratification du fluide multiphasique obtenue à l'étape a) précitée et, d'autre part, par l'alimentation à l'étape c) de l'unité de séparation avec des courants de fluide de compositions voisines de celles du fluide contenu dans l'unité de séparation aux points d'injection de ces courants. Dans l'application du procédé défini ci-dessus au traitement d'un fluide multiphasique produit par l'exploitation d'un gisement pétrolier en mer, les étapes a) à c) sont exécutées à proximité d'un fond marin. La présente invention est aussi relative à un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, comprenant une unité de séparation des phases d'un fluide multiphasique par différentiel gravitaire et des moyens d'alimentation de cette unité avec ce fluide, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend des moyens de tranquillisation et de stratification de l'écoulement du fluide placés en amont de l'unité de séparation, b) des moyens de prélèvement, sur l'écoulement tranquillisé et stratifié, d'au moins des premier et deuxième courants de fluide concentrés en gaz et en liquide respectivement, ces moyens délivrant ces premier et deuxième courants de fluide à des premier et deuxième niveaux de l'unité de séparation, le premier niveau étant plus élevé que le deuxième de manière à renforcer le processus de séparation par différentiel gravitaire développé par l'unité de séparation. Selon d'autres caractéristiques de ce dispositif: - les moyens de tranquillisation et de stratification sont constitués par une chambre cylindrique d'axe sensiblement horizontal connectée en ligne avec une conduite amenant le fluide multiphasique à une extrémité de la chambre cylindrique, la section droite de cette chambre étant de surface significativement supérieure à celle de cette conduite, - les moyens de prélèvement comprennent au moins des première et deuxième lignes connectées à une partie haute et à une partie basse de la chambre, respectivement, pour recueillir les premier et deuxième courants de fluide respectivement, concentrés en gaz et en liquide respectivement dans ladite chambre, - les première et deuxième lignes sont raccordées à l'unité de séparation en partie haute et basse de celle-ci respectivement, pour l'alimenter avec les premier et deuxième courants de fluide concentrés respectivement, - l'extrémité de la chambre opposée à celle par laquelle le fluide multiphasique pénètre dans celle-ci est percée et raccordée à l'unité de séparation par au moins une troisième ligne débitant dans cette unité la fraction du fluide multiphasique non recueillie par les première et deuxième lignes, - cette fraction est débitée dans l'unité de séparation à un niveau intermédiaire entre les parties haute et basse de cette unité, - la troisième ligne est piquée sur une ligne de sortie de la chambre, sensiblement coaxiale à cette dernière, cette ligne de sortie étant équipée d'une vanne normalement fermée placée en aval du piquage, la phase liquide sortant de l'unité de séparation rejoignant cette ligne de sortie par une ligne piquée sur cette ligne de sortie en aval de cette vanne, - en variante, la chambre est alimentée en fluide multiphasique par un piquage installé sur une conduite de production du fluide, cette conduite étant équipée d'une vanne normalement fermée disposée en aval du piquage, la phase liquide sortant de l'unité de séparation rejoignant cette conduite par un deuxième piquage installé sur la conduite en aval de la vanne. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel les figures 1 et 2 représentent schématiquement des premier et deuxième modes de réalisation, respectivement, d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention. On se réfère maintenant à la figure 1 du dessin annexé pour décrire en plus de détail la structure et le fonctionnement du premier mode de réalisation de ce dispositif, dans son application préférée à la séparation des phases du fluide multiphasique produit par les puits d'un champ pétrolier sous-marin. La production de ces puits est collectée par une conduite 1 dite "de production". Classiquement, comme on l'a vu plus haut, on fait passer cette production, au voisinage du fond marin, dans une unité de séparation par différentiel gravitaire, ou séparateur. Le dispositif suivant la présente invention comprend un tel séparateur, repéré 2 sur la figure 1. Comme représenté, celui-ci prend la forme d'une enceinte cylindrique de grand volume et d'axe sensiblement vertical. En variante, l'enceinte pourrait présenter un axe horizontal voire une forme sphérique. Dans l'installation classique, le fluide multiphasique de production est directement fourni à cette enceinte. Du fait de son volume important, l'enceinte offre au fluide, auparavant confiné dans la conduite de production, une possibilité d'expansion et de décantation. La phase gazeuse du fluide tend alors à remonter dans la partie haute du séparateur alors que sa phase liquide, plus lourde, tend à se rassembler dans la partie basse de ce séparateur. Des lignes raccordées aux parties haute et basse du séparateur permettent d'évacuer les phases gazeuse et liquide ainsi séparées. Comme on l'a vu plus haut l'efficacité de ce processus est fonction de la composition et de divers paramètres thermodynamiques du fluide à traiter, du temps passé par le fluide dans le séparateur et du régime d'écoulement de ce fluide. La présente invention a précisément pour but de renforcer l'efficacité du séparateur classique par un traitement approprié du fluide de production, préalablement à l'entrée de celui-ci dans le séparateur. Pour ce faire, suivant une caractéristique importante du dispositif selon la présente invention, celui-ci comprend une chambre cylindrique 3 d'axe sensiblement horizontal, interposée entre la conduite 1 et le séparateur 2. Cette chambre 3 est connectée en ligne à la conduite 1 qui l'alimente en fluide multiphasique (représenté en gris foncé) par une extrémité. Elle présente une section droite sensiblement plus grande que celle de la conduite 1. Un dimensionnement convenable de cette section et de la longueur axiale de la chambre 3 permet de ralentir fortement le fluide multiphasique déversé dans cette chambre par le conduit 1. Ce ralentissement permet de tranquilliser l'écoulement du fluide et de le stratifier par l'effet de la gravité. Il permet aussi d'absorber d'éventuelles poches de gaz ou de liquide présentes dans l'écoulement. On peut alors tirer parti de la pré-séparation des phases gazeuse et liquide obtenue par cette stratification dans la chambre 3 pour assurer une alimentation plus fine du séparateur 2, propre à en améliorer l'efficacité. C'est ainsi que des lignes 4 de dégazage et 5 de drainage sont connectées aux parties haute et basse respectivement, de la chambre 3 pour collecter des courants de fluide fortement concentrés en gaz (représenté en gris clair) et en liquide (représenté en noir), respectivement. Il est clair en effet, pour l'homme de l'art, qu'à ce stade les deux phases ne peuvent être complètement séparées l'une de l'autre et que chacune contient encore forcément une fraction de l'autre. Comme représenté à la figure 1, les lignes 4 et 5 débitent ces courants de fluide dans le séparateur, à des niveaux haut H et bas B respectivement, de celui-ci. Celui-ci reçoit encore un courant de fluide multiphasique constitué par les fluides ayant traversés la chambre 3 sans être prélevés par les lignes 4 et 5. Ce courant est conduit dans le séparateur 2 par une ligne 6 piquée en T sur une ligne 7 fermée par une vanne 8 en aval du piquage, cette ligne 7 recevant le fluide qui sort de la chambre 3 par l'extrémité de cette chambre qui est opposée à celle alimentée par la conduite 1. La ligne 7 présente une section sensiblement égale à celle de la conduite de production 1. Le courant de fluide multiphasique est débité dans le séparateur 2 à un niveau I de celui-ci qui est intermédiaire entre les niveaux H et B. On sait que c'est un processus de séparation par différentiel gravitaire qui s'opère dans ce séparateur. C'est ainsi que l'on retrouve en parties haute et basse de celui-ci les phases gazeuse et liquide à séparer, respectivement, un fluide multiphasique en cours de traitement occupant l'espace intermédiaire. Ainsi, suivant la présente invention, on délivre à chacun des ces trois "étages" du séparateur un fluide d'une composition voisine de celle du fluide contenu dans cet étage. Les phases étant ainsi, dans une certaine mesure, pré-séparées avant même de pénétrer dans le séparateur 2, on comprend qu'à la sortie de celui-ci la séparation des phases en est d'autant plus complète. Le rendement du processus de séparation mis en oeuvre par le dispositif suivant l'invention est donc supérieur à celui qui résulte du processus classique faisant appel au seul séparateur, conformément au but poursuivi par la présente invention. Les phases gazeuse et liquide ainsi suffisamment isolées l'une de l'autre sortent du séparateur 2 par des conduites de production de gaz et de liquide 9 et 10 respectivement, la conduite de gaz étant de plus petite section que celle de la conduite de liquide. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, la conduite de production de liquide 10 rejoint la ligne 7 par un raccord en T, en aval de la vanne 8 normalement fermée. On trouve alors en sortie de la chambre 3, en ligne avec celle-ci et monté sur un connecteur 11, un ensemble de deux raccords en T constitué par la ligne 6 et les conduites 7 et 10. Le dispositif suivant l'invention prend alors la forme d'un bloc pouvant être installé d'une pièce, et de manière amovible, sur la conduite de production 1, entre deux connecteurs 12 et 13, le dispositif se substituant alors à une longueur correspondante de celle-ci. La maintenance de ce dispositif en est considérablement facilitée, ce qui est particulièrement appréciable sur des fonds marins de grande profondeur, difficiles d'accès. On notera que l'ouverture de la vanne 8 peut être requise pour des opérations de maintenance, par exemple pour évacuer du sable encombrant la conduite 1 et/ou la chambre 3. On notera aussi, incidemment, que le dispositif suivant l'invention comprend nombre d'autres vannes d'usages classiques qui n'ont pas été représentées pour ménager la clarté de la figure 1. Le dispositif représenté à cette figure est conçu pour être monté en ligne sur la conduite de production 1, ce qui minimise avantageusement le nombre et la complexité des connexions. Par contre il est donc normalement constamment traversé par le fluide de production, sauf à l'équiper d'un by-pass permettant de le court-circuiter si nécessaire. On a représenté à la figure 2 du dessin annexé un deuxième mode de réalisation du dispositif suivant l'invention incorporant de tels moyens de court-circuit. On se réfère maintenant à cette figure 2 où des références numériques, éventuellement affectées d'un "prime", identiques à des références utilisées sur la figure 1 repèrent des éléments ou organes identiques ou similaires. Il en est de même des couleurs représentatives des fluides qui s'écoulent dans les diverses canalisations du dispositif. C'est ainsi que l'on retrouve dans le dispositif de la figure 2 une conduite de production 1 du fluide multiphasique à traiter, une unité de séparation 2 et une chambre 3 de tranquillisation et de stratification placée en amont de cette unité de séparation 2. Le dispositif selon le mode de réalisation de la figure 2 se distingue de celui de la figure 1 en ce qu'il est conçu pour être monté "en raccord" sur la conduite de production 1, de manière que cette conduite puisse être utilisée pour le court-circuiter en cas de besoin. La chambre 3 est alors alimentée en fluide multiphasique de production par une ligne 14 piquée en T sur une conduite 1' prolongeant la conduite de production 1 au-delà d'un connecteur 12, une vanne 8' normalement fermée étant installée sur cette conduite 1' en aval du piquage. Une paire de connecteurs 17, 18 assurent la jonction de la ligne 14 et de la chambre 3. Les phases gazeuse et liquide tranquillisées et stratifiées dans la chambre 3 sont, comme dans le mode réalisation de la figure 1, prélevées par des lignes 4 et 5 respectivement, pour être injectées dans le séparateur 2, à des niveau haut H et bas B respectivement de ce séparateur. On remarquera que les lignes 4 et 5 comprennent chacune deux prises 41, 42 et 51, 52 respectivement, dans la chambre 3 pour prélever les phases gazeuse et liquide respectivement. En multipliant les prises au long de la chambre 3, on facilite les prélèvements à opérer. Le nombre des prises pourrait d'ailleurs être supérieur à 2. Incidemment on appréciera que cette disposition pourrait être également incorporée au dispositif schématisé à la figure 1. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, le fluide multiphasique non prélevé par les lignes 4 et 5 sort de la chambre 3 par une ligne 7. Dans le mode de réalisation de la figure 2, cependant, cette conduite débite directement ce fluide dans le séparateur 2, au niveau I intermédiaire entre les niveaux H et B. Comme représenté, la connexion entre, d'une part, les lignes 4, 5 et 7 et, d'autre part, le séparateur 2, peut être établie à l'aide d'un seul connecteur 15 à trois passages, les plans de ces passages pouvant être confondus dans un même plan vertical. Cela apporte une simplification considérable des liaisons à installer entre la chambre 3 et le séparateur 2. Des lignes 9 et 10 évacuent les phase gazeuse et liquide respectivement, produites par le séparateur 2. La ligne 10 débite le liquide, à travers un connecteur 16, dans un piquage en T prévu sur la conduite 1', en aval de la vanne 8'. En fonctionnement normal le liquide de production sort alors du dispositif par une conduite prolongeant la conduite 1', conduite à laquelle elle est accordée par un connecteur 13. Comme dans le mode réalisation de la figure 1, celui de la figure 2 comprend nombre d'autres vannes d'usages classiques non représentées pour ménager la clarté de la figure. Suivant une caractéristique avantageuse du dispositif selon le mode de réalisation de la figure 2, une simple ouverture de la vanne 8' établit la conduite 1' en by-pass de la chambre 3 et du séparateur 2. En outre, le dispositif de la figure 2 est conçu comme un tout pouvant être installé entre les connecteurs 12 et 13 à la place d'une longueur de la conduite de production égale à celle de la conduite 1'. Son installation en est ainsi facilitée. L'amovibilité du dispositif est aussi à apprécier du point de vue maintenance, puisqu'elle facilite son retrait pour des opérations d'entretien ou pour son remplacement. Il apparaît maintenant que la présente invention permet bien d'atteindre le but annoncé, à savoir assurer une séparation aussi complète que possible des phases du fluide produit par un gisement pétrolier sous-marin, et ceci au moyen d'un matériel exigeant un minimum de travaux de maintenance. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, donnés seulement à titre d'exemple. A cet égard, l'invention a été décrite ci-dessus dans son application à un fluide comportant une seule phase liquide, par souci de clarté. L'invention s'étend néanmoins à l'évidence au traitement d'un fluide comportant plusieurs phases liquides séparables par décantation, par exemple de l'eau et de l'huile comme c'est souvent le cas dans la production d'un gisement pétrolier sous-marin, moyennant une multiplication correspondante des lignes de prélèvement de ces liquides dans la chambre de tranquillisation et de stratification et un étagement adapté des débouchés de ces lignes dans le séparateur. De même, l'invention n'est pas limitée au traitement de la production d'un gisement pétrolier sous-marin et peut trouver application au traitement de tout fluide multiphasique quand il y a avantage à renforcer le rendement d'un séparateur des phases de ce fluide par un processus différentiel gravitaire. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation des phases d'un fluide multiphasique en écoulement comprenant au moins une phase liquide et une phase gazeuse, suivant lequel on fait passer ledit fluide dans une unité de séparation (2) desdites phases par différentiel gravitaire, caractérisé par les étapes suivantes : a) on tranquillise et on stratifie ledit écoulement dudit fluide préalablement à son traitement dans ladite unité de séparation (2), b) on prélève sur ledit fluide tranquillisé et stratifié au moins des premier et deuxième courants de fluide concentrés en gaz et en liquide respectivement et, c) on délivre lesdits premier et deuxième courants à des premier (H) et deuxième (B) niveaux du fluide contenu dans ladite unité de séparation (2), ledit premier niveau (H) étant plus élevé que le deuxième (B) de manière à renforcer le processus de séparation par différentiel gravitaire développé par ladite unité de séparation (2). 2. Procédé conforme à la revendication 1, appliqué au traitement d'un fluide multiphasique produit par l'exploitation d'un gisement pétrolier en mer, caractérisé en ce que les étapes a) à c) sont exécutées à proximité d'un fond marin. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 et 2, comprenant une unité de séparation (2) des phases d'un fluide multiphasique par différentiel gravitaire et des moyens d'alimentation de ladite unité avec ledit fluide, caractérisé en ce qu'il comprend a) des moyens (3) de tranquillisation et de stratification de l'écoulement dudit fluide placés en amont de ladite unité de séparation (2) et, b) des moyens de prélèvement (4,5), sur ledit écoulement tranquillisé et stratifié, d'au moins des premier et deuxième courants de fluide concentrés en gaz et en liquide respectivement, lesdits moyens délivrant lesdits premier et deuxième courants de fluide à des premier (H) et deuxième (B) niveaux de ladite unité de séparation (2), le premier niveau (H) étant plus élevé que le deuxième (B) de manière à renforcer le processus de séparation par différentiel gravitaire développé par ladite unité de séparation (2). 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de tranquillisation et de stratification (3) sont constitués par une chambre cylindrique d'axe sensiblement horizontal connectée en ligne avec une conduite (1; 14) amenant ledit fluide multiphasique à une extrémité de ladite chambre cylindrique(3), la section droite de ladite chambre (3) étant de surface significativement supérieure à celle de ladite conduite (1; 14). 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement comprennent au moins des première (4) et deuxième (5) lignes connectées à une partie haute et à une partie basse de ladite chambre (3), respectivement, pour recueillir lesdits premier et deuxième courants de fluide respectivement, concentrés en gaz et en liquide respectivement dans ladite chambre (3). 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits première (4) et deuxième (5) lignes sont raccordées à ladite unité de séparation (2) en partie haute et basse de celle-ci respectivement, pour l'alimenter avec lesdits premier et deuxième courants de fluide concentrés, respectivement. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que l'extrémité de ladite chambre (3) opposée à celle par laquelle ledit fluide multiphasique pénètre dans celle-ci est percée et raccordée à ladite unité de séparation (2) par au moins une troisième ligne (7; 6) débitant dans ladite unité (2) la fraction du fluide multiphasique non recueillie par lesdites première (4) et deuxième (5) lignes. 8. Dispositif conforme à la revendication 7, caractérisé en ce que ladite fraction est débitée dans ladite unité à un niveau (I) intermédiaire entre lesdites parties haute et basse de cette unité. 9. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite troisième ligne (6) est piquée sur une ligne de sortie (7) de ladite chambre (3), sensiblement coaxiale à cette dernière, cette ligne (7) étant équipée d'une vanne (8) normalement fermée placée en aval du piquage, la phase liquide sortant de ladite unité de séparation (2) rejoignant ladite ligne de sortie (7) par une ligne (10) piquée sur ladite ligne (7) en aval de ladite vanne (8). 10. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite chambre (3) est alimentée en fluide multiphasique par un piquage installé sur une conduite (1, 1') de production dudit fluide, ladite conduite étant équipée d'une vanne (8') normalement fermée disposée en aval dudit piquage, la phase liquide sortant de ladite unité ,de séparation (2) rejoignant ladite conduite (1, 1') par un deuxième piquage installé sur la conduite en aval de ladite vanne (8'). 11. Dispositif conforme à la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites première, deuxième et troisième lignes sont raccordées audit séparateur par un connecteur unique (15) à 3 passages.