Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La presente invention concerne un dispositif de separation
d'un mélange de gaz et de liquide, ce melange pouvant notamment etre
constitué par des hydrocarbures, à l'admission d'une pompe reliee à
une extremite basse d'une colonne tubulaire au fond d'un puits foré.
Les installations de production d'hydrocarbures utilisent,
après la mise en place de puits fores vers le reservoir de la
formation geologique, des systèmes de pompage destines à faire
remonter l'huile vers la surface. Pour cette operation, on descend
dans le puits fore une colonne tubulaire servant de conduit pour
produire les hydrocarbures au bout de laquelle est disposee une pompe.
Les pompes ut;lisées peuvent être de differents types :
pompes à piston, pompes centrifuges, pompes hydrauliques, pompes à
balancier, pompes volumetriques rotatives (commercialement appellées
"Pompe MOINEAU").
Si de telles pompes fonctionnent avec satisfaction quand
le fluide pompe est compose en majorite de liquide, des problèmes
apparaissent et se developpent lorsqu'un volume de gaz libre est
melange au fluide de production. En effet, si la pression d'admission
d'un fluide à une pompe est inferieure a la pression de bulle
au-dessus de laquelle tout le gaz est dissous dans l'huile, les pompes
admettent du gaz libre melange au fluide de production.
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Dans ces conditions il en resulte un faible rendement de
pompage si l'on rapoorte le débit mesure du reservoir au débit
theorique de la pompe et une accelération du fonctionnement de la
pompe se repercutant sur l'accroissement de la vitesse de rotation
pour les pompes a piston.
L'art anterieur illustré par les brevets GB-983.644 et
US-2.969.742 a résolu ce problème en utilisant un dispositif de
séparation gaz/liquide monte autour de la pompe pour limiter au
maximum la presence de gaz en suspens dans le liquide lors du
fonctionnement de la pompe. La pompe est ~introduite au fond d'un
conduit tubulaire bouché à sa partie inferieure et pourvu d'orifices
d'admission à sa partie superieure de maniere à ce que, au niveau des
orifices du séparateur, le gaz libre tende à s'évacuer vers la
surface, alors que l'huile est aspirée par la pompe.
Toutefois, un tel assemblage presente un inconvenient
grave qui correspond au fonctionnement à sec de la pompe lorsque le
niveau de liquide n'atteint pas les orifices d'admission.
L'effet le plus néfaste se retrouve dans une diminution de
la duree de vie des pompes volumetriques de type "MOINEAU" dans
lesquelles le gaz introduit a tendance à filter dans l'elastomère du
stator et donc à deformer les engrenages helicoidaux interieurs de la
pompe. Dans les autres types de pompes, l'usure s'amplifie par les
risques de blocage de la pompe.
La presente invention vise donc à pallier les
inconvenients precites de fonctionnement a sec, d'usure et de
deterioration des pompes.
La presente invention a pour objet un dispositif de
separation d'un melange de gaz libre et de liquide a l'admission d'une
pompe reliee à une extremite basse d'une colonne tubulaire au fond
d'un puits fore, la pompe etant reliee a la colonne tubulaire par un
tube intermediaire de production et etant introduite dans un
dispositif d'admission de fluide dont une extremite basse est obturee
et une extremite haute comporte des orifices d'introduction de fluide,
ladite pompe etant placee a l'interieur dudit dispositif d'admission,
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3 --
à proximité de son extrémite basse.
Selon l'invention, le dispositif d'admission comporte au
voisinage de son extrémite basse un dispositif formant au moins un
clapet.
5Le dispositif d'admission pourra comporter un tube et le
dispositif formant au moins un clapet pourra etre placé dans l'axe
dudit tube.
Le dispositif d'admission pourra comporter un tube
cylindrique, le dispositif formant au moins un clapet, pourra être
placé sur les parois cylindriques dudit dispositif d'admission.
Le dispositif d'admission pourra comporter un conduit
d'admission entourant coaxialement le tube intermediaire de production
et la pompe, le conduit d'admission etant prolonge par un conduit de
séparation muni circonférentiellement d'orifices et maintenu autour de
ladite colonne tubulaire par une piece de fixation.
Le tube intermediaire de production et la pompe pourront
être maintenus coaxialement au conduit d'admission par des centreurs.
Le dispositif formant au moins un clapet pourra comporter
un obturateur, tel une bille ou une soupape, constamment sollicite par
des moyens elastiques en blocage d'une ouverture d'introduction de
fluide dans le conduit d'admission.
Les moyens elastiques pourront posseder une resistance de
compression à une pression minimum, ladite pression minimum
correspondant à un niveau de liquide dans le conduit d'admission
au-dessus de la pompe.
Le conduit d'admission et le conduit de separation
pourront être maintenus dans le puits fore par des stabilisateurs.
La longueur du dispositif d'admission du fluide pourra
être choisie de manière à developper une différence de pression de
quelques bars entre le niveau d'admission de la pompe et le niveau des
orifices d'introduction du fluide dans ledit dispositif.
La presente invention s'applique à une installation de
pompage dans un puits fore comportant un dispositif de separation,
comporte une zone basse dont l'orientation varie de la verticale a une
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forte inclinaison.
On decrira maintenant plus en detail une forme de
realisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre
les caracteristiques essentielles et les avantages, etant entendu
toutefois que cette forme de realisation est choisie a titre d'exemple
et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée
par les dessins annexes dans lesquels :
- la figure 1 représente une coupe d'un puits fore à zone basse
fortement inclinée.
- les figures 2 et 3 représentent des dispositifs de separation
gaz/liquide associe à une pompe à l'extremite d'une colonne
tubulaire comportant respectivement deux variantes differentes de
dispositif d'obturation.
La figure 1 represente un puits fore 1 dans lequel est
introduite une pompe 3 placee dans une position active au fond du
puits par un conduit ou colonne tubulaire 2. Le puits fore comporte
près de sa surface une zone pratiquement verticale prolongee vers le
bas Par une partie déviee pour devenir, en partie basse, fortement
inclinée dans une zone à forte teneur de fluide prelevable. La
presente invention s'applique tout particulièrement dans le cas des
puits fortement devies, mais elle conserve egalement tous ses
avantages dans le cas de puits verticaux.
~ a pompe 3 fixee à l'extremite de la colonne 2 est
introduite à partir de la surface et progresse dans le puits par
l'adjonction de tronçons tubulaires.
On introduit ensuite interieurement au conduit un ensemble
de tiges d'entrainement 30 mises bout a bout dont la rotation est
commandee par une tete d'entrainement 23 reliee a un moteur 24 pouvant
etre d'un type communement utilise dans les installations de pompage.
La rotation des tiges 30 amorce le dispositif de pompage 3 qui fait
remonter le fluide circulant au fond du puits par la colonne tubulaire
2 pour etre evacue vers les conduites de stockage 27. Des vannes 25
regulent en surface la distribution du fluide pompé.
La pompe 3 est introduite à l'extremité de la colonne
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tubulaire 2 dans un dispositif de separation 17 visant à faire
remonter en surface le gaz libre en suspens dans le liquide, alors que
celui-ci est aspiré vers le fond du dispositif de séparation en
admission de la pompe 3.
La référence 31 désigne un dispositif d'obturation du type
a clapet.
La constitution de ce dispositif de separation est
clairement visible en reference a la figure 2.
L'extremite basse de la colonne tubulaire 2 au fond du
puits est accolee sur sa circonference à une extremite d'un tube
intermediaire de production 6. ~'autre extremite de ce tube
intermediaire est reliee à la sortie du dispositif de pompage. Dans
l'exemple représenté on utilise une pompe de type "MOINEAU", mais il
est entendu que les avantages de la presente invention
s'appliqueraient de maniere tout aussi favorable dans le cas d'une
pompe à piston, d'une pompe centrifuge, ou d'une pompe à balanciers.
La pompe "MOINEAU" 3 comporte un stator 4 muni d'une
enveloppe d'acier de protection tubulaire, recouvrant une partie en
elastomère ou pièce active du stator realisant interieurement un
engrenage helico;dal.
Un ensemble de tiges 30 mises bout à bout est dispose à
l'interieur de la colonne tubulaire 2, traverse le tube intermédiaire
de production 6, et supporte un rotor 5 de manière à lui transmettre
un mouvement rotatif commande en surface. Ce rotor 5 comporte sur sa
surface un engrenage heLico;dal associe du stator 4.
L'ensemble pompe/tube intermédiaire de production est
introduit dans un conduit d'admission 7, realise sous la forme d'un
tuyau tubulaire ouvert à ses deux extremites. Une premiere extremite
est prolongee par un conduit de separation 8 constitue d'une crepine
tubulaire munie d'orifices 9 d'introduction du fluide a l'interieur du
conduit 7.
Le conduit de separation 8 et le conduit d'admission 7
sont relies l'un à l'autre par une bague circulaire 15.
Le conduit de séparation 8 est maintenu fixe autour du
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tube intermédiaire de production par un organe de liaison 16, cet
organe comportant une zone intérieure filetee dans laquelle vient se
visser l'extrémite superieure du conduit de separation 8.
Cet organe 16 assure egalement le maintien coaxial et la
mise bout a bout de la colonne tubulaire 2 et du tube intermediaire de
production 6.
De manière à maintenir ~a pompe 3 et le tube intermédiaire
6 coaxiaux au conduit d'admission dans son axe, on place autour de ces
eléments des centreurs 10. Ces centreurs sont, par exemple du type à
lames, bien connus dans les techniques de forage des sols. D'autres
types de centreurs peuvent etre aussi utilisés, par exemple des
centreurs en caoutchouc. Ces centreurs ont egalement l'avantage de
limiter les mouvement d'oscillation de la pompe suivant une section du
puits.
On place egalement des stabilisateurs 11 du type precité
autour du conduit d'admission 7 pour placer l'ensemble dans l'axe du
puits.
Selon l'invention, l'extrémite inferieure du conduit
d'admission est munie d'un dispositif d'obturation 31 comportant une
piece 20 realisant une fermeture dans laquelle est menage un clapet.
Ce clapet se compose d'une bille 21 constamment sollicitee en blocage
d'une ouverture d'introduction 23 de fluide par des moyens elastiques,
tels que, par exemple, un ressort helico;dal 22.
L'exemple decrit aux figures 1 et 2 divulgue l'utilisation
d'un clapet place à l'extremite du conduit d'admission sensiblement
dans l'axe de la pompe. Selon ce mode de realisation, il existe un
risque d'accumulation de sediments au-dessus de l'orifice 42 qui
peuvent colmater ce dernier et entraver le fonctionnement du
dispositif d'obturation 31.
Le mode de realisation de la figure 3 evite ce risque. Le
dispositif selon ce mode de realisation comporte un ou plusieurs
clapets disposes circonferentiellement sur les parois laterales ou
cylindriques de l'extremite basse du conduit d'admission, la condition
requise etant d'être en dessous du niveau d'admission de la pompe.
Z~
Le système d'obturation 32 représente à la figure 3
comporte deux dispositifs d'obturation 33 et 34 positionnés sous la
pompe 3 et orientés dans des directions diametrallement opposées. Les
dispositifs d'obturation 33 et 34 sont superposés relativement à l'axe
du conduit d'admission 7.
En utilisant deux dispositifs d'obturation on renforce la
sécurité du fonctionnement du dispositif d'obturation puisqu'il
suffit qu'un des deux dispositifs d'obturation fonctionne pour assurer
une alimentation en fluide continue à la pompe.
Ces deux dispositifs d'obturation etant identiques un
seul sera decrit.
Le dispositif d'obturation 33 comporte un obturateur 35
ayant une surface d'appui conique 36 qui coopère avec un siège conique
37 solidaire du conduit d'admission à son extrémite inferieure.
L'obturateur 35 est guide par une tige cylindrique 38 qui
coopère avec un logement cylindrique 39 porté également par le conduit
d'admission 7.
,~
Des moyens de rappel 40 tels un ressort helico1dal
entourant la tige 38 applique l'obturateur 35 sur son siege 37.
L'orientation des surfaces coniques de l'obturateur 35 et
du siège 37 est telle que le dispositif d'obturation empêche
l'écoulement d'un fluide provenant de l'interieur du conduit
d'admission 7 et allant vers l'espace annulaire 41 defini par les
parois du puits et la surface externe du conduit d'admission 7.
Le principe de separation du gaz libre du liquide est
réalisé de la manière suivante en se référant à la figure 2.
Le melange gaz/liquide remonte dans le puits et rencontre
le dispositif d'obturation qui maintient la bille en blocage de
l'ouverture 23. Le melange progresse latéralement autour du conduit
d'admission 7 jusqu'au conduit de separation 8. L'ensemble de pompage
a ete descendu dans le puits de manière a ce que le niveau dynamique
du melange (représentee par la ligne A sur la figure 1) se trouve
sensiblement au dessus du conduit de separation.
Les orifices disposés regulierement autour du conduit de
2~? ~3~j~
séparation 8 permettent l'introduction du fluide dans le conduit
d'admission. Lorsque le fluide est entraine au fond du conduit
d'admission, un phenomène de degazage se produit au niveau de la
surface de melange; le gaz s'échappant vers la surface par le puits et
le fluide retombant dans le conduit d'admission.
Cependant des problèmes se développent si le niveau
dynamique descend au-dessous d'une position limite (représentée en A
sur la figure 2) où les orifices d'admission 9 du conduit de
separation. En effet, si le niveau est moins eleve, (comme par exemple
le niveau représenté par la ligne B), il n'y aura plus d'introduction
de fluide dans le conduit d'admission qui se videra progressivement,
jusqu'à un stade où la pompe n'aspirera plus de fluide et donc
fonctionnera à sec.
Dans le cas d'une descente du niveau dynamique en dessus
des orifices 9, le niveau se stabilise dans le puits alors que
l'action de pompage fait baisser rapidement le niveau à L'interieur du
conduit créant une difference de niveau d. Cette difference de niveau
génère une différence de pression qui vient compenser l'effet du
ressort contre la bille d'obturation 23.
Cette difference de pression implique une force contre la
bille qui s'ecarte de son siège et permet l'entrée du melange
fluide/gaz directement par l'extremite basse de l'ensembLe. La pompe
est donc aLors constamment aLimentee en fLuide. IL ne reste pLus aLors
ensuite qu'a operer sur Les conduits de fonctionnement, ou reduire La
vitesse de rotation et donc le débit de La pompe pour favoriser un
reLèvement du niveau dynamique à La hauteur du conduit de séparation
8. Les pressions s'equiLibrent aLors entre L'extérieur et L'intérieur
du conduit d'admission 7, la bilLe revient en appui sur son assise
pour bLoquer L'ouverture et Le phenomène de separation peut à nouveau
s'opérer.
Ce processus d'equiLibrage des pressions s'effectue
egaLement Lorsqu'on descend initialement l'ensemble et que le conduit
d'admission 7 est vide de tout fluide. Dans cet etat la pompe ne
fonctionne pas encore et lorsque l'équilibrage des pressions est
2~3~7
_ 9 _
realisé, on commande la mise en service de la pompe.
Le choix du ressort hélico;dal sera donc effectue de
manière à ce que l'ouverture du clapet soit réalisee lorsque le niveau
du fluide dans le conduit d'admission 7 se trouvera à mi-niveau entre
la pompe et le conduit de séparation (representé par la ligne C).
Dans le cas où le dispositif est equipé de la variante du
dispositif d'obturation représentée sur la figure 3, le principe de
séparation du gaz libre du liquide est identique au principe décrit
ci-dessus pour la figure 2 à la var;ante pres du fonctionnement du
dispositif d'obturation, dont les principales étapes sont donnees
ci-après.
Dans le cas d'une descente du niveau dynamique en dessous
des orifices 9, le niveau se stabilise dans le puits alors que
l'action de pompage fait baisser rapidement le niveau a l'intérieur du
conduit créant une difference de niveau d. Cette différence de niveau
génère une différence de pression qui vient compenser l'effet des
moyens de rappel 40 contre l'obturateur 35.
Cette difference de pression implique une force contre
l'obturateur 35, qu; s'écarte de son siège 37 et permet l'entrée du
mélange fluide/gaz directement par l'extremite basse de l'ensemble. La
pompe est donc alors constamment alimentée en fluide.
Il suffit qu'un seul des dispositifs d'obturation
fonctionne, les dispositifs pouvant fonctionner seuls ou
simultanément.
25Il ne reste plus alors ensuite qu'a opérer sur les
conduits de fonctionnement, ou reduire la vitesse de rotation et donc
le debit de la pompe pour favoriser un relèvement du niveau dynamique
à la hauteur du conduit de separation 8. Les pressions s'équilibrent
alors entre l'extérieur et l'intérieur du conduit d'admission 7,
30l'obturateur 5 revient en appui sur son siège 37 pour bloquer
l'ouverture et le phenomène de séparation peut à nouveau s'operer.
Tout ce qui a eté dit precedemment pour le dispositif
d'obturation decrit dans la figure 2 en ce qui concerne le processus
~ ~ ? ? 3~7
- 10 -
d'equilibrage et Le choix du ressort helico;dal reste valable pour le
dispositif decrit dans la figure 3.
Dans un mode de réalisation préfére cas d'une orientation
de puits à 70~, tel que representée sur la figure 1, le conduit
d'admission 7 possède une longueur L pratiquement de 60 mètres et le
tube intermédiaire de production 6 une longueur de 45 metres environ,
la pompe ainsi qu'un reservoir de fluide possédant alors une longueur
l de 15 mètres.
Le conduit de separation 8 possède quant à lui une
longueur de 1 mètre.
Cependant on pourra adapter la longueur du conduit
d'admission 7 dans le cas d'une orientation de puits differente, de
maniere à réaliser constamment une difference de pression de quelques
bars entre le niveau d'admission de la pompe 3 et le niveau des
orifices 9 du conduit de séparation.
La presente invention s'applique tout particulièrement
dans le cas des puits fortement devies pouvant se rapprocher
sensiblement de l'horizontale. Elle trouve cependant les mêmes
applications dans le cas des puits verticaux.
Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les
particularités qui ont eté specifiees dans ce qui précède ou par les
details du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer
l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées a la
réalisation particulière qui a éte decrite à titre d'exemple et à ses
eléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des
equivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs
combinaisons.
