Brevet FR2919206A1 — publié le 20090130

Séparateur à écoulement cyclonique L'invention concerne de façon générale un séparateur à écoulement cyclonique pour séparer des 5 composants non miscibles d'un milieu fluide. Une application non exclusive d'un tel séparateur se situe dans la production d'huile pétrolière. Dans cette application, à laquelle les inventeurs se sont particulièrement intéressés, sans que ceci soit à 10 considérer comme limitatif, le séparateur est placé par exemple dans un puits pétrolier. Il reçoit un fluide comprenant de l'eau et de l'huile, provenant d'un réservoir producteur et en extrait une huile à teneur réduite en eau. L'eau séparée de l'huile extraite est réinjectée dans un 15 niveau réservoir, qui peut être différent du réservoir producteur, sans avoir à être séparée ou traitée dans une installation de surface. Une variante est de séparer les fluides dans le puits et de les remonter en surface. Un séparateur selon l'invention est utilisable dans 20 diverses autres applications connues d'appareils de ce genre, par exemple pour le dépoussiérage de gaz. Le régime cyclonique d'écoulement dans une chambre de séparation de composants d'un fluide est particulièrement efficace pour la séparation massique des 25 composants. En sortie de la chambre de séparation à écoulement cyclonique, on récupère les composants les plus lourds à une position radiale plus éloignée du centre que les composants plus légers. Dans un écoulement cyclonique idéal, la vitesse tangentielle des particules du milieu 30 fluide croît selon une loi hyperbolique depuis la périphérie de la chambre jusqu'à un rayon où elle atteint une valeur maximale, puis diminue entre ce rayon et le centre de la chambre selon une loi linéaire. Elle est en particulier nulle au centre de la chambre de séparation. 35 Ceci soumet les particules du milieu fluide à des accélérations radiales inversement proportionnelles au cube du rayon dans la zone hyperbolique. Le document FR-A-2 592 324 décrit un séparateur pour liquide hétérogène ayant une chambre de séparation cylindrique et un lanceur axial qui tournent solidairement autour de leur axe commun. Le lanceur a un noyau autour duquel des canaux de guidage amènent un milieu fluide dans la chambre en vue d'y générer un écoulement cyclonique. Ces séparateurs tournants ont pour avantage, par rapport aux séparateurs statiques, de réduire les frottements dus aux différences de vitesse entre les parois de la chambre et le milieu injecté, frottements qui perturbent le régime cyclonique. En pratique, les conditions de l'écoulement 15 cyclonique sont délicates à réaliser sur la longueur de la chambre. La présente invention a pour but de perfectionner les séparateurs à écoulement cyclonique de type tournant. On cherche notamment à améliorer le pouvoir de séparation 20 par une bonne maîtrise du régime cyclonique. Un séparateur à écoulement cyclonique selon un mode de réalisation de l'invention comprend une chambre de séparation cylindrique et un lanceur coaxial entraînés en rotation. Le lanceur comporte un noyau, une entrée pour 25 recevoir un écoulement de fluide sensiblement axial, une sortie pour injecter le fluide dans la chambre de séparation et une pluralité de canaux de guidage formés entre l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du noyau. Le noyau a une portion de diamètre sensiblement égal 30 ou supérieur au diamètre intérieur de la chambre de séparation. Dans cette portion, les canaux de guidage sont sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe de la chambre de séparation, puis ils se prolongent en demeurant sensiblement rectilignes jusqu'à la sortie du lanceur. La 35 sortie du lanceur a une forme sensiblement cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation. Grâce à ces dispositions, on se rapproche des conditions idéales où la distribution des vitesses tangentielles du fluide dans le dispositif est conforme à la loi théorique hyperbolique en fonction de la position radiale. L'écoulement dans la chambre de séparation est alors en régime cyclonique ou très proche de celui-ci. Ainsi, les performances du séparateur s'en trouvent améliorées. Dans des modes de réalisation du séparateur, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - les canaux de guidage ont une forme sensiblement hélicoïdale du côté de l'entrée du lanceur, pour amener progressivement le fluide en rotation avec la chambre de séparation et le lanceur; - ladite portion du noyau a un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation; - les canaux de guidage se subdivisent à partir de ladite portion du noyau vers la sortie du lanceur; - les canaux de guidage sont en nombre supérieur à dix, et typiquement au moins égal à vingt, au niveau de la sortie du lanceur. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un procédé de production d'huile pétrolière, comprenant les étapes suivantes: - disposer au moins un séparateur de composants dans une installation pétrolière, le séparateur comprenant une chambre de séparation cylindrique et un lanceur coaxial, le lanceur comportant un noyau, une entrée à l'opposé de la chambre de séparation, une sortie dirigée vers la chambre de séparation et 20 25 30 4 une pluralité de canaux de guidage formés entre l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du noyau, le noyau ayant une portion de diamètre sensiblement égal ou supérieur au diamètre intérieur de la chambre de séparation, portion dans laquelle les canaux de guidage sont sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe de la chambre de séparation, les canaux de guidage sensiblement rectilignes se prolongeant depuis ladite portion jusqu'à la sortie du lanceur, la sortie du lanceur ayant une forme sensiblement cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation, et la chambre de séparation ayant au moins des première et deuxième sorties concentriques à l'opposé du lanceur; - faire tourner la chambre de séparation et le lanceur autour de leur axe; - fournir un écoulement sensiblement axial d'un fluide incluant de l'huile et de l'eau à l'entrée du lanceur; - évacuer de l'eau au niveau de la première sortie de la chambre de séparation; et - extraire l'huile pétrolière à teneur réduite en eau résiduelle au niveau de la deuxième sortie de la chambre de séparation, la deuxième sortie étant plus proche de l'axe de la chambre de séparation que la première sortie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description 30 suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur les dessins: -la figure 1 est un schéma de principe en coupe longitudinale d'un séparateur de composants d'un milieu 35 fluide; 10 15 20 25 - la figure 2 est une vue agrandie de la partie aval de la chambre de séparation du séparateur de la figure 1; - la figure 3 est une vue agrandie du lanceur du 5 séparateur du type de l'invention; - la figure 4 est une coupe transversale selon la ligne de repère IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une coupe transversale selon la ligne de repère V-V de la figure 3; et - la figure 6 est une vue de coté du lanceur du séparateur, sans les autres éléments du séparateur de la figure 1 ; et - la figure 7 est une vue agrandie d'une autre réalisation du lanceur du séparateur selon l'invention. La figure 1 présente une vue générale en coupe axiale d'un mode de réalisation d'un séparateur à écoulement cyclonique. Cet exemple de séparateur 1 comporte une enveloppe externe 5 fixe, de forme générale cylindrique d'axe 6, comprenant une entrée E d'un milieu fluide à séparer, une première sortie Sl de fluide et une deuxième sortie S2 de fluide. A l'intérieur de l'enveloppe 5, une chambre de séparation cylindrique 3 et un lanceur coaxial 2 sont montés coaxialement avec l'enveloppe 5 et pivotants autour de l'axe 6. La chambre 3 et le lanceur 2 appartiennent à un ensemble 11 monté pivotant dans l'enveloppe externe 5 sur des roulements 12. Le nombre et la position des roulements sur la figure 1 peuvent varier. Des joints dynamiques 13 permettent de réaliser l'étanchéité entre l'ensemble mobile 11 et l'enveloppe externe 5 fixe. Dans le mode de réalisation de la figure 1, l'ensemble mobile 11 est entrainé en rotation par une courroie 14 entrainée elle-même par un moteur 4. L'entrée E, à une extrémité amont du séparateur 1, 35 est alimentée par un raccord axial 10 avec un débit sous 6 pression d'un milieu fluide à séparer, tel qu'une émulsion eau-huile. La première sortie S1 est réalisée ici par un raccord latéral 8 sur l'enveloppe externe 5 du séparateur 1. Cette première sortie S1 permet d'évacuer un premier composant fluide de densité relativement importante capté en sortie de la chambre de séparation 3, c'est-à-dire à l'opposé du lanceur 2, à distance de l'axe 6. La deuxième sortie S2 est réalisée ici par un tube 7 centré sur l'axe 6 et communiquant avec l'intérieur de la chambre de séparation 3. Cette deuxième sortie S2 permet d'évacuer un deuxième composant fluide de densité plus faible que le premier composant. Dans l'application à la production d'huile pétrolière, le premier composant fluide est de l'eau (ayant une teneur résiduelle en huile beaucoup plus faible que la teneur en huile de l'émulsion introduite à l'entrée E), et le deuxième composant fluide de l'huile (ayant une teneur résiduelle en eau beaucoup plus faible que la teneur en eau de l'émulsion introduite à l'entrée E). Après l'entrée E, le milieu fluide (eau-huile) pénètre dans l'ensemble mobile 11 par son extrémité amont, débouche dans une chambre amont 15, traverse le lanceur 2 qui transforme le mouvement de translation du fluide en un mouvement de rotation d'axe 6 et de vitesse de rotation identique à celle de l'ensemble 11, et est injecté en périphérie de la chambre de séparation 3 avec une vitesse tangentielle sensiblement égale à celle de la paroi de la chambre 3. Avec ce type d'entrée dans la chambre de séparation 3, la vitesse tangentielle du fluide dans la chambre 3 évolue sensiblement de manière inversement proportionnelle au rayon, augmentant très fortement lorsque l'on se rapproche du centre, c'est-à-dire de l'axe 6. Ceci conduit à des accélérations favorables à la séparation des fluides, 7 et notamment à concentrer le deuxième composant fluide, de densité plus faible que le premier composant fluide, vers le centre de la chambre de séparation 3 lors de l'écoulement. Le premier composant fluide relativement dense (eau) est alors évacué de la chambre de séparation 3 par une première sortie annulaire 31 à l'extrémité aval de la chambre 3, qui communique avec la sortie Sl du séparateur via un canal annulaire 9. Ces éléments sont plus facilement visibles sur la figure 2 qui est une vue agrandie de la partie droite de la figure 1. Dans l'application à la production pétrolière, l'eau ainsi évacuée, dont la teneur résiduelle en huile peut être très faible, est réinjectée dans un niveau réservoir qui peut être différent de celui d'où provient le mélange émulsionnel amené à l'entrée E du séparateur. Le deuxième composant fluide relativement peu dense (huile) est extrait par une deuxième sortie de la chambre de séparation 3 consistant dans cet exemple en un orifice d'entrée 32 du tube central 7. Ce tube 7 du mode de réalisation des figures 1 et 2 est solidaire de l'enveloppe externe 5 du séparateur, et ne tourne pas avec la chambre de séparation 3, ce qui simplifie la construction de l'appareil. Dans une variante d'agencement des sorties de la chambre de séparation 3, celles-ci sont toutes deux de forme annulaire et concentriques avec l'axe de la chambre, par exemple comme décrit dans FR-A-2 771 029. Divers agencements sont possibles en sortie de la chambre de séparation 3 à écoulement cyclonique. En général, les sorties sont concentriques et le composant le plus dense (l'eau) est évacué au niveau de la sortie la plus éloignée de l'axe tandis que le composant le plus léger (l'huile) est extrait au niveau de la sortie la plus proche de l'axe. Dans certains cas, une sortie de gaz (phase la moins dense 8 et la plus centrale) peut être prévue en plus des sorties d'eau et d'huile. La figure 3 est une vue agrandie, en coupe longitudinale similaire à celle de la figure 1, présentant un lanceur 2 d'un exemple de séparateur selon l'invention. Le lanceur 2 est situé entre la chambre amont 15 et la chambre de séparation 3. Il comprend une entrée 25 en communication avec la chambre amont 15, des canaux de guidage 28 du milieu fluide, une sortie 26 débouchant dans la chambre de séparation 3 et un noyau 27 sensiblement coaxial à l'axe 6 du séparateur. Le noyau 27 a par exemple une forme d'ogive axisymétrique vers l'entrée du lanceur 2 pour amener progressivement le fluides en périphérie du lanceur 2, et une forme conique vers la chambre de séparation 3. La figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne de repère IV-IV de la figure 3. On voit que les canaux de guidage 28 sont délimités par des aubes 30, par exemple radiales, s'étendant du noyau 27 jusqu'à la paroi de l'ensemble 11, formant ainsi des cavités fermées dans le plan de la figure 4. La figure 5 est une vue en coupe transversale selon la ligne de repère V-V de la figure 3, c'est-à-dire dans la zone de la sortie 26. Dans cette zone, les aubes 30 délimitant les canaux de guidage 28 se séparent du noyau 27 et restent reliées à la paroi de l'ensemble 11, formant ainsi des cavités ouvertes vers l'intérieur de la chambre de séparation 3, en regard de la partie conique du noyau 27. Dans la zone de la sortie 26, les extrémités internes des aubes radiales 30 s'étendent suivant des bords longitudinaux 29 sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe 6 du séparateur. Comme représenté en figure 3, ces bords 29 se répartissent sur une surface cylindrique placée dans le prolongement de la face intérieure 16, de diamètre 9 intérieur D3, de la chambre de séparation 3. C'est cette surface cylindrique qui définit la sortie 26 du lanceur 2 et l'entrée de la chambre de séparation 3. La sortie 26 du lanceur 2 a ainsi une forme sensiblement cylindrique de diamètre égal au diamètre intérieur D3 de la chambre de séparation 3. Elle est définie par les ouvertures des canaux de guidage 28 entre les bords 29. Entre l'entrée 25 et la sortie 26 du lanceur, le noyau 27 a une portion de diamètre D27 supérieur ou égal au diamètre intérieur D3 de la chambre de séparation 3. Ces deux diamètres D3, D27 sont représentés égaux en figure 3. En entrant dans la chambre de séparation 3, c'est-à-dire en sortie 26 du lanceur, l'écoulement de fluide a essentiellement une composante de vitesse tangentielle. Sa composante de vitesse centripète peut être très faible si la transition entre le diamètre extérieur des canaux de guidage 28 et le diamètre D3 de la chambre de séparation est progressive, comme représenté. Grâce à l'agencement de la sortie 26 du lanceur 2, la vitesse tangentielle du fluide injecté dans la chambre 3 est quasiment la même que celle de la paroi de cette chambre, de sorte que le fluide entre dans la chambre de séparation 3 sans former de frottement ou de turbulences indésirables. La figure 6 présente une vue de côté du lanceur seul 2, permettant de voir la forme du noyau 27 et des aubes radiales 30 délimitant les canaux de guidage 28. Le lanceur 2 représenté sur la figure 6 comprend vers l'entrée 25 des canaux de guidage 28 ayant une forme sensiblement hélicoïdale pour amener progressivement le fluide en rotation de manière solidaire avec la rotation de l'ensemble 11. Ensuite, les canaux de guidage 28 ont une forme rectiligne sensiblement parallèle à l'axe 6 jusqu'à la sortie 26 du lanceur 2. Comme représenté en figure 6, les canaux de guidage 10 28 se subdivisent en un nombre supérieur de canaux après l'entrée 25, dans la portion de diamètre D27 où ces canaux deviennent rectilignes et longitudinaux. Les canaux de guidage 28 peuvent encore se subdiviser en un nombre supérieur avant la sortie 26, pour encore améliorer l'entraînement en rotation du fluide avant son entrée dans la chambre de séparation 3. Dans le mode de réalisation du lanceur présenté en figure 6, il y a cinq canaux de guidage 28 en entrée du lanceur, dix canaux de guidage 28 dans un tronçon intermédiaire, et vingt canaux de guidage en aval de ce tronçon et jusqu'à la sortie 26 du lanceur. Il est intéressant d'avoir un nombre relativement important de canaux de guidage 28 en sortie 26 du lanceur 2 pour favoriser une entrée peu perturbée du fluide dans la chambre de séparation 3. Un nombre de canaux de guidage 28 supérieur à dix est par conséquent avantageux. De préférence, ce nombre est égal ou supérieur à vingt. La figure 7 est une figure semblable à la figure 3 présentant une variante du lanceur 2 où le diamètre D27 de la portion intermédiaire du noyau 27 est supérieur au diamètre D3 de la chambre de séparation. Le séparateur à écoulement cyclonique décrit ci-dessus est applicable pour la séparation de tout milieu fluide ayant des composants non-miscibles de densités différentes et non seulement pour la séparation d'une émulsion d'eau et d'huile. Dans la description précédente, le milieu fluide est présenté comme ne comportant que deux composants fluides. Bien entendu, ce milieu peut comporter plus de deux composants de densités différentes. La chambre de séparation pourra alors comporter plus de deux sorties permettant d'extraire les différents composants fluides. Les composants à séparer dans le milieu fluide ne sont pas limités à des liquides, tel que l'huile et l'eau; ils peuvent aussi inclure des gaz et/ou des particules solides en suspension dans le milieu fluide. Dans l'application à la production d'huile pétrolière, l'émulsion eau-huile (pouvant en outre contenir du gaz dissous dans l'huile ou injecté depuis la surface) provient d'un. réservoir pétrolier, et est amené à l'entrée E du séparateur 1. L'ensemble mobile 11 comportant le lanceur 2 et la chambre de séparation 3 est par exemple mis en rotation à partir de l'arbre d'une pompe de fond de puits ou d'un moteur placé à proximité du séparateur. Si le séparateur est placé dans le puits, l'huile extraite sur la sortie S2 est remontée sur l'installation de surface en tête du puits, tandis que l'eau évacuée sur la sortie Si peut être réinjectée dans un niveau réservoir qui, peut être différent du réservoir producteur. Une alternative est de séparer les composants fluides en fond de puits mais de les remonter en surface. Une autre alternative est de remonter l'émulsion et d'effectuer la séparation en surface, par exemple sur une plateforme pétrolière. Encore une autre alternative est de transférer le mélange de fluide jusqu'à la tête de puits sous-marine et d'effectuer la séparation au fond de la mer. REVENDICATIONS 1. Séparateur de composants d'un milieu fluide, comprenant une chambre de séparation cylindrique (3) et un lanceur coaxial (2) entraînés en rotation, dans lequel le lanceur (2) comporte un noyau (27), une entrée (25) pour recevoir un écoulement de fluide sensiblement axial , une sortie (26) pour injecter le fluide dans la chambre de séparation et une pluralité de canaux de guidage (28) formés entre l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du noyau, caractérisé en ce que le noyau (27) a une portion de diamètre sensiblement égal ou supérieur au diamètre intérieur de la chambre de séparation (3), portion dans laquelle les canaux de guidage (28) sont sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe de la chambre de séparation, les canaux de guidage sensiblement rectilignes se prolongeant depuis ladite portion jusqu'à la sortie (26) du lanceur, et en ce que la sortie du lanceur a une forme sensiblement cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation. 2. Séparateur selon la revendication 1, dans lequel les canaux de guidage (28) ont une forme sensiblement hélicoïdale du côté de l'entrée (25) du lanceur (2), pour amener progressivement le fluide en rotation avec la chambre de séparation et le lanceur. 3. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite portion du noyau (27) a un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de La chambre de séparation (3). 4. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux deguidage (28) se subdivisent à partir de ladite portion du noyau (27) vers la sortie (26) du lanceur. 5. Séparateur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les canaux de guidage (28) sont en nombre supérieur à dix au niveau de la sortie (26) du lanceur (2). 6. Séparateur selon la revendication 5, dans lequel les canaux de guidage (28) sont en nombre au moins égal à vingt au niveau de la sortie (26) du lanceur (2). 7. Procédé de production d'huile pétrolière, comprenant les étapes suivantes: - disposer au moins un séparateur de composants (1) dans une installation pétrolière, le séparateur comprenant une chambre de séparation cylindrique (3) et un lanceur coaxial (2), le lanceur comportant un noyau (27), une entrée (25) à l'opposé de la chambre de séparation, une sortie (26) dirigée vers la chambre de séparation et une pluralité de canaux de guidage (28) formés entre l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du noyau, la chambre de séparation ayant au moins des première et deuxième sorties concentriques (31, 32) à l'opposé du lanceur; - faire tourner la chambre de séparation (3) et le 25 lanceur (2) autour de leur axe (6); - fournir un écoulement sensiblement axial d'un fluide incluant de l'huile et de l'eau à l'entrée (25) du lanceur; -évacuer de l'eau au niveau de la première sortie 30 (31) de la chambre de séparation (3); et - extraire l'huile pétrolière à teneur réduite en eau résiduelle au niveau de la deuxième sortie (32) de 14 la chambre de séparation (3), la deuxième sortie étant plus proche de l'axe (6) de la chambre de séparation que la première sortie, caractérisé en ce que le noyau (27) du lanceur (2) a une portion de diamètre sensiblement égal ou supérieur au diamètre intérieur de la chambre de séparation (3), portion dans laquelle les canaux de guidage (28) sont sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe de la chambre de séparation, les canaux de guidage sensiblement rectilignes se prolongeant depuis ladite portion jusqu'à la sortie (26) du lanceur, et en ce que la sortie du lanceur a une forme sensiblement cylindrique de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation (3). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les canaux de guidage (28) ont une forme sensiblement hélicoïdale du côté de l'entrée (25) du lanceur (2), pour amener progressivement le fluide en rotation avec la chambre de séparation et le lanceur. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ladite portion du noyau (27) a un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la chambre de séparation (3). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel les canaux de guidage 25 (28) se subdivisent à partir de ladite portion du noyau (27) vers la sortie (26) du lanceur. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel les canaux de guidage (28) sont en nombre supérieur à dix au niveau de la sortie 30 (26) du lanceur (2). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequelles canaux de guidage (28) sont en nombre au moins égal à vingt au niveau de la sortie (26) du lanceur (2).