Brevet FR3009035A1 — publié le 20150130

DISPOSITIF DE BLOC DE POMPAGE AVEC CIRCUIT DE CONTOURNEMENT INTEGRE La présente invention concerne le domaine du pompage polyphasique, notamment dans le domaine du pompage de fluides dans le cadre de puits de forage pétroliers sous-marins. Pour les architectures de stations de pompage sous-marines classiques, il a été longtemps d'usage d'utiliser des pompes peu puissantes ( Ces nouvelles pompes peuvent notamment être : - des pompes dites « MPP » (pour 'multiphase pump' en anglais) à forte augmentation (ou « High Boost » en anglais) ; - des pompes hybrides. Si la puissance de ces pompes a été augmentée, les dispositifs de pompage accompagnant ces pompes n'ont pas évolués (i.e. stations de pompage hors pompes). Néanmoins, de tels dispositifs ne sont pas exemptes de défauts. En effet, si ces dispositifs de pompage répondaient aux caractéristiques des pompes de faibles puissances, les contraintes de fonctionnement des pompes de fortes puissances imposent d'améliorer ces dispositifs. La présente invention vient améliorer la situation. A cet effet, la présente invention propose un dispositif de bloc de pompage polyphasique comportant : - une pompe apte à pomper un fluide de pompage ; - un circuit de contournement apte à permettre l'écoulement d'un fluide d'une zone en amont de la pompe vers une zone en aval de la pompe en contournant la pompe, le circuit de contournement comportant au moins un clapet anti-retour apte à bloquer l'écoulement du fluide de la zone en aval de la pompe vers la zone en amont de la pompe. Le dispositif de bloc de pompage est apte à être connecté à un ensemble de circuits de pompage, ledit ensemble de circuits comportant un circuit de contournement principal apte à permettre l'écoulement d'un fluide d'une zone en amont du bloc de pompage connecté vers une zone en aval du bloc de pompage connecté en contournant ledit bloc de pompage connecté. Le dispositif de bloc de pompage est agencé pour être déconnecté dudit ensemble de circuits pour maintenance. On appelle « zone en aval de la pompe » une zone connecté à la sortie de la 15 pompe. On appelle « zone en amont de la pompe » une zone connecté à l'entrée de la pompe. La zone en amont (respectivement la zone en aval) de la pompe peut être avantageusement proche de l'entrée (respectivement de la sortie) de la pompe et 20 sont à l'intérieur du bloc de pompage. En effet, le circuit de contournement permet de créer une dérivation au sein même du bloc pompage, ce bloc de pompage pouvant être extrait (« retrievable » en anglais) facilement par rapport au reste de la station de pompage. Cette extraction peut permettre notamment de remplacer certaines pièces défaillantes du bloc de pompage (comme des vannes, des impulseurs , etc. ou toutes 25 autres pièces soumises à de fortes contraintes ou sollicitations). Le clapet anti-retour situé sur le circuit de contournement peut permettre de limiter la recirculation de fluide pompé lorsque la pompe est active et fonctionnelle, et lorsque le différentiel de pression entre l'entrée et la sortie de la pompe est positif. L'ensemble formé par l'ensemble de circuits de pompage et le dispositif de bloc de 30 pompage peut être appelé « station de pompage ». En cas de démarrage de la pompe, ce circuit de contournement peut permettre d'éviter de laisser la production naturelle s'écouler au travers de la pompe et ainsi éviter toute usure anormale de celle-ci (ex. garnitures mécaniques). A l'aide de ce circuit de contournement intégré au bloc de pompage, le démarrage de la pompe peut se faire sans utiliser le circuit de contournement principal traditionnellement utilisé à cet effet. Dans un mode de réalisation, le dispositif de bloc de pompage peut comporter en outre un anti-retour apte à bloquer l'écoulement d'un fluide de la zone en aval de la 10 pompe vers la pompe. Ainsi, le clapet anti-retour peut protéger la pompe de tout reflux ou écoulement de fluide anormal et pouvant entrainer une dégradation de la pompe. De plus, le circuit de contournement comporte en outre une vanne apte à contrôler 15 l'écoulement d'un fluide dans le circuit de contournement. Cette vanne peut être une vanne de type « choke valve » ou « on-off valve ». En cas d'arrêt de la pompe, il peut être utile d'ouvrir cette vanne afin d'équilibrer les pressions en amont et en aval de la pompe. Cette ouverture peut permettre d'éviter d'utiliser le circuit de contournement principal et ainsi limiter l'usure de ses 20 différentes pièces comme ses vannes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : 25 - la figure 1 illustre un exemple de station de pompage sous-marine dans un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple de diagramme de fonctionnement d'une pompe polyphasique dans un mode de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre un exemple de station de pompage sous-marine dans un mode de réalisation particulier de l'invention. Cette station de pompage comporte : - une entrée 102 connectée aux puits de production ; - une sortie 120 connectée à la ligne de production et permettant de remonter le fluide pompé à la surface ; - des circuits de pompages 151 à 161 permettant de faire circuler le fluide pompé ; - des vannes 103 à 106, 108, 109, 112, 116 à 119. Ces vannes peuvent être des vannes à ouverture variable (ou « choke valve » en anglais), des vannes « on-off », ou tout autres types de vannes. Certaines vannes peuvent être avantageusement des vannes s'ouvrant ou se fermant automatiquement en cas de défaillance de leur système de contrôle (hydraulique ou électrique par exemple) comme par exemple les vannes 103 ou 104, 116 ou 117 ; - une pompe 110 ; - un réservoir mélangeur 107 (ou « mixer tank » en anglais). Lors de pompage dans des conditions d'écoulement non constant, la pompe doit faire face à des conditions de fonctionnement pouvant varier de manière brutale (bouchon de liquide sans gaz ou bouchons de gaz). Le changement rapide de ces conditions peut provoquer de brusques variations de charge au niveau de la pompe, et peut causer des problèmes mécaniques ou défaillances au niveau du rotor de cette dernière. Un réservoir mélangeur permet de mélanger le liquide et de l'homogénéiser avant de le faire traverser la pompe. Ainsi, le réservoir mélangeur peut permettre de limiter la fluctuation de couple de l'arbre au cours du pompage et donc les dégradations de la pompe; - des clapets anti-retour 111 et 113 ; - un débitmètre polyphasique 114 (ou MPFM ou « multiphase flow meter » en anglais). Un débitmètre polyphasique est un dispositif utilisé pour réaliser des mesures sur le fluide pompé (mélanges de pétrole, d'eau et de gaz produits) au cours du processus de production ; - un réservoir séparateur 115 (ou « splitter tank » en anglais) permet de séparer le liquide, le gaz et les solides en suspension dans le liquide (comme le sable, etc). A titre d'illustration, il est possible d'utiliser la décantation pour réaliser cette séparation. Ainsi, du fait de leur masse volumique respective, les différentes phases se séparent : les matériaux les plus lourds se retrouvant au fond du réservoir. En fonction de la hauteur de piquage (i.e. hauteur de récupération dans le réservoir), il est possible de récupérer soit les matières solides (i.e. piquage bas) soit les matières liquides (i.e. piquage à hauteur moyenne) soit des gaz (i.e. piquage haut). Il est également possible de récupérer un mélange de différentes phases car la séparation des différentes phases peut ne pas être complète. Les éléments 110 à 114 et 156 à 158 constituent un bloc de pompage 101 pouvant être extrait (« retrievable » en anglais) de la station de pompage. Par exemple, cette extraction permet de faire remonter à la surface le bloc de pompage 101 pour des questions de maintenance technique (ex. réparations). En régime de fonctionnement normal et établi, le circuit 151 est connecté au puits de pompage foré dans le sous-sol marin. Ainsi, le fluide de pompage circule dans ce dernier. La vanne 103 est fermée afin d'éviter que ce fluide circule dans le circuit de contournement principal 152 (i.e. « Main Bypass » en anglais). La vanne 104 est maintenue en position ouverte mais elle peut être activée sur demande pour palier la défaillance de la vanne 103. On appelle ces deux vannes 103 et 104 les vannes « Main Bypass Valves » ou MBPV. Quand la pompe 110 fonctionne, la vanne 103 est alors fermée, et « subit » le différentiel de pression AP générée par la pompe 110 et/ou imposée par le système. En cas d'arrêt de la pompe 110, il peut être nécessaire d'ouvrir rapidement la vanne 103 afin d'équilibrer les pressions en amont et en aval du dispositif de pompage 100 présenté en Figure 1. Ainsi, si la vanne 103 et la vanne 104 sont ouvertes à plein, elles permettent d'équilibrer les pressions puis d'assurer une production libre (production en mode « Free Flow ») au travers du circuit de contournement principal 152. Le circuit 161 est connecté à la ligne de production vers la surface (direction 120). Dans une telle situation d'arrêt de la pompe, la vanne 103 s'ouvre sous un différentiel de pression important Al', et lors de son ouverture, des fluides polyphasiques transitent par cette vanne 103: gaz, sables, hydrocarbures, etc. Cette vanne est donc fortement sollicitée d'un point de vue mécanique pendant les phases d'ouverture. En cas de défaillance d'un élément mécanique de cette vanne 103, il n'est pas possible de simplement la remonter à la surface afin de la réparer car son positionnement dans la station de pompage 100 ne le permet pas (on parle de vanne « non retrievable »). En effet, si le bloc de pompage peut être détaché de manière relativement simple, les autres pièces de la station de pompage sont installées à quasi-demeure et la maintenance de celles-ci nécessite le plus souvent l'utilisation de véhicules sous-marin opérés à distance (ou RUV pour « Remote operated Underwater Vehicle » en anglais) ou de véhicules sous-marin autonomes (ou AUV pour « Autonomous Underwater Vehicle » en anglais). Ainsi, il peut être utile de prévoir une vanne 104 dans l'hypothèse où la vanne 103 viendrait à dysfonctionner (ex. casse d'une pièce mécanique rendant la vanne 103 non étanche). L'espérance de vie d'une telle combinaison (éléments 103 et 104) peut ainsi être doublée. De plus, en régime de fonctionnement normal et établi, les vannes 105,106, 108, 109, 119, 118 sont ouvertes permettant ainsi au fluide pompé de s'écouler dans le réservoir mélangeur 107. Ce fluide de pompage mélangé traverse alors la pompe 110 grâce au circuit 156. Cette pompe 110 peut être par exemple une pompe à double vis (de type « Twin Screw MPP » en anglais) ou une pompe hélicoïdale (de type « Helicoaxial MPP » en anglais). En sortie de la pompe 110, un clapet anti-retour 111 est positionné sur le circuit 156 afin d'éviter, en cas d'arrêt de la pompe, que la surpression en sortie de la pompe 110 provoque un reflux dans la pompe et l'endommage. De plus, en parallèle du circuit 156, un circuit de contournement 157 (ou « bypass » en anglais) est utilisé pour permettre un contournement de la pompe 110 par le fluide d'exploitation au moment du démarrage, lorsque la pression dans la ligne 156 est supérieure à la pression dans la ligne 158. En cas de démarrage de la pompe 110, il est en effet utile d'éviter de laisser la production naturelle du puits (i.e. la production dite « Free Flow » en anglais) s'écouler au travers de la pompe 110. Ce contournement peut être appelé « contournement intégré » (ou « integrated bypass » en anglais) car ce contournement est intégré au bloc de pompage 101 et peut être retirée avec ce dernier. Le circuit 157 est alors muni d'une vanne 112 et d'un clapet anti-retour 113. En cas de défaillance de la pompe 110, il peut être utile d'ouvrir la vanne 112 afin d'équilibrer les pressions en amont et en aval du bloc de pompage 101. Cette ouverture peut permettre d'éviter d'ouvrir la vanne 103 (cas décrit précédemment) et ainsi limiter son usure. L'usure est alors supportée par les pièces de la vanne 112 mais cette dernière peut être plus simple à réparer puisqu'elle peut être extraite (avec le bloc de pompage 101) pour être réparé en surface. Il est donc d'usage d'ouvrir la vanne 103 contrôlant l'écoulement dans le contournement principal 152 afin de laisser la production naturel s'écouler, puis de démarrer doucement la pompe : celle-ci peut alors fonctionner temporairement en sur-débit du fait de la faible résistance offerte par le fluide. La vanne 103 est alors fermée par un opérateur en contrôlant les paramètres de fonctionnement de la pompe jusqu'à la fermeture complète de la vanne 103. Ce procédé peut être complexe et l'utilisation d'un contournement intégré 157 comme présenté par la figure 1 peut le simplifier. Le démarrage de la pompe 110 peut se faire avec la vanne 103 fermée. En revanche, la vanne 112 est ouverte. La production naturel du puits passe alors, dans un premier temps, au travers du circuit de contournement intégré 157. Lors du démarrage de la pompe dans cette configuration, la pompe 110 va faire progressivement augmenter le différentiel de pression entre son entrée et sa sortie. Dès lors, le clapet anti-retour 113 sur le circuit 157 se ferme naturellement. Si le clapet 113 se ferme, la pompe travaille en résistance sur le fluide de production et ne peut fonctionner en sur-débit. Le démarrage est alors automatique pour l'opérateur et la vanne 103 n'est pas mécaniquement sollicitée pour le démarrage de la pompe. Le fluide de production est alors injecté dans le débitmètre polyphasique 114 afin de contrôler les différents paramètres en sortie de pompe. Ce fluide de production est alors injecté dans un réservoir séparateur 115. Un circuit 159 est alors piqué dans ce réservoir 115 de manière à récupérer le fluide intéressant la production (i.e. le pétrole brut dans le cadre d'un puits de pétrole). De même, un autre circuit 160 (i.e. « ligne de recyclage ») est piqué dans ce réservoir 115 de manière à récupérer un liquide (non nécessairement intéressant la production). Le circuit 160 permet une réinjection de liquide dans le réservoir mélangeur 107. En effet, cela peut être utile afin d'éviter, en cas de présence d'un important volume de gaz (i.e. bouchons de gaz) dans les circuits de production, de faire partir la pompe 110 en sous-débit et de la détériorer. Il est donc utile de faire circuler dans la pompe un débit minimum pour protéger la pompe 110. Pour ce faire, il est possible d'ouvrir si nécessaire une vanne située sur la ligne de recyclage 160 (ou « recycle line » en anglais) afin de contrôler le flux de liquide vers une zone en amont de la pompe 110 (ici, vers le réservoir mélangeur) et de réutiliser le liquide pour éviter de faire fonctionner la pompe 110 à vide ou de faire fonctionner un de ses étages de pompage à un régime de fonctionnement pouvant le détériorer. Néanmoins, ces vannes sont souvent des vannes hydrauliques activées (de type « actuated valve » en anglais). Ce type de vannes ont des temps d'ouverture et de fermeture 2 5 de plusieurs minutes et ne permettent pas de satisfaire aux contraintes de rapidité liées à l'apparition de fortes bulles gazeuses dans les lignes de production. Pour surmonter ce problème, il est possible de remplacer la vanne hydraulique activée mentionnée précédemment par un ensemble de vannes en série composé de : - une vanne 117 hydraulique activée et - une vanne 116 de type "on/off" dont l'ouverture est commandée par la libération d'un ressort (i.e. « de-energizing » en anglais). Ainsi, l'ouverture est immédiate, mais il n'est pas possible de choisir le ratio de fermeture de la vanne : soit elle est complètement ouverte, soit elle est complètement fermée. Grâce à cet ensemble, il est possible de commander la vanne 117 pour obtenir de manière constante une pré-ouverture correspondant au débit minimum de protection de la pompe. Ainsi, en cas de présence d'un important volume de gaz (i.e. bulles de gaz) dans les circuits de production, la vanne 116 peut être ouverte très rapidement et met en ligne la vanne 117 calée sur sa pré-ouverture. Bien entendu, la pré-ouverture de la vanne 117 peut varier dans le temps en fonction des différents paramètres de fonctionnement de la pompe comme la puissance consommée ou le régime de la pompe. La pompe est alors protégée dans un délai très bref. La figure 2 illustre un exemple de diagrammes de fonctionnement d'une pompe polyphasique roto-dynamique dans un mode de réalisation selon l'invention. La première courbe de fonctionnement GVF70 illustre le fonctionnement d'un étage 20 de cette pompe pour un « GVF » de 70%. Le GVF (ou « Gas Volume Fraction » en anglais) représente la fraction du volume de gaz par rapport au volume totale. Si la pompe fonctionne de manière établie avec un « GVF » de 70%, le point de fonctionnement de cet étage pour un fonctionnement idéal de la pompe peut correspondre au point 201. 25 II est à noter que le point de fonctionnement de cet étage pour un fonctionnement idéal de la pompe ne correspond pas nécessairement au point de fonctionnement idéal de cet étage seul. En effet, la pompe comportant un grand nombre d'étages, ces deux points peuvent être distincts compte tenu du fonctionnement des autres étages. Ainsi, le volume pompé est de TF1 m3/h. La courbe de débit minimal pour cet étage de pompe et pour un GVF de 70% peut être matérialisée par le segment de courbe 211 : un point de fonctionnement de cet étage situé à gauche de ce segment 211 correspond à un sous-régime de l'étage, régime pouvant détériorer celui-ci. Lors d'un changement brutal de la composition du fluide pompé (ex. bouchon de gaz), le GVF du fluide peut varier en passant par exemple à 90%. La deuxième courbe de fonctionnement GVF90 illustre le fonctionnement d'un étage de cette pompe) pour un « GVF » de 90%. La courbe de débit minimal pour cet étage de pompe et pour un GVF de 90% peut être matérialisée par le segment de courbe 212. Bien entendu, du fait de cette variation brutale, le point de fonctionnement de l'étage peut être modifié : celui-ci peut alors être déplacé sur la gauche au point 202 (la différence de pression APi étant considérée comme constante pour l'échelle de temps pertinent à la mise en protection de la pompe). Ainsi, le point de fonctionnement 202 correspond à un régime de sousrégime pour cet étage. Il peut être utile que ce régime ne soit pas maintenu durant une période de temps trop grande. En référence à la figure 1, il est possible d'ouvrir les vannes 116 et 117 (comme décrit ci-avant) afin de réinjecter en amont de la pompe un liquide prélevé en aval de celle-ci et ainsi « ramener » l'étage dans un mode de fonctionnement non-dangereux pour l'étage ou la pompe (i.e. déplacer le point 202 vers la droite). Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemples ; elle s'étend à d'autres variantes. D'autres réalisations sont possibles. Par exemple, certaines vannes présentées par la figure 1 peuvent ne pas être présentes ou être regroupées. De plus, plusieurs blocs de pompage peuvent être utilisés en parallèle afin d'augmenter la puissance de pompage. Ainsi, chaque bloc de pompage peut disposer d'un réservoir de séparation propre et d'une ligne de recyclage propre. REVENDICATIONS1. Dispositif de bloc de pompage (110) polyphasique comportant : - une pompe (110) apte à pomper un fluide de pompage ; - un circuit de contournement (157) apte à permettre l'écoulement d'un fluide d'une zone en amont de la pompe vers une zone en aval de la pompe en contournant la pompe, le circuit de contournement comportant au moins un clapet anti-retour (113) apte à bloquer l'écoulement du fluide de la zone en aval de la pompe vers la zone en amont de la pompe ; dans lequel ledit dispositif de bloc de pompage est apte à être connecté à un ensemble de circuits de pompage, ledit ensemble de circuits comportant un circuit de contournement principal (152) apte à permettre l'écoulement d'un fluide d'une zone en amont du bloc de pompage connecté vers une zone en aval du bloc de pompage connecté en contournant ledit bloc de pompage connecté; et dans lequel ledit dispositif de bloc de pompage est agencé pour être déconnecté dudit ensemble de circuits pour maintenance. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de bloc de pompage comporte en outre un anti-retour (111) apte à bloquer l'écoulement d'un fluide de la zone en aval de la pompe vers la pompe. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit de contournement comporte en outre une vanne (112) apte à contrôler l'écoulement d'un fluide dans le circuit de contournement.