Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2~7'~~~~
1
L'invention concerne un dispositif mélangeur continu destiné â mélanger en
particulier du pétrole brut de haute viscosité avec au moins un autre fluide
moins visqueux
afin d'obtenir un mélange de viscosité beaucoup plus faible que ledit pétrole
brut, le mélange
étant plus e~cacement déplacé par pompage par les systèmes conventionnels.
Les développements actuels de la production pétrolière conduisent à
l'exploitation de
gisements d'huile visqueuse, notamment à partir de puits comportant des
parties
horizontales ou fortement inclinées par rapport à la verticale traversant le
gisement.
Dans les cas où le pompage par tige est techniquement impossible ou
1 0 économiquement non rentable, il faut alors envisager l'usage de pompes
rotatives soit
centrifuges soit volumétriques. Mais ces pompes peuvent ne pas fonctionner
convenablement avec des fluides de forte viscosité.
r i .. ,~ '~ ~~~ I ~r G ~~ ..
~anr~>.~~ ,
On connaît par le document US-A-4721436 un procédé et une installation pour
pomper un pétrole visqueux. Ce document enseigne l'utilisation d'une pompe
centrifuge
1 5 entraînée en rotation par une turbine hydraulique fonctionnant par
l'injection à partir de la
surface d'un fluide moteur, lequel est en partie injecté au niveau de
l'aspiration de la pompe
pour faire baisser la viscosité du pétrole dans la pompe. Cette installation
ne possède pas de
dispositif mélangeur en amont de la pompe. Dans ce système le mélange se fait
d'une
manière interne à la pompe.
2 0 On connaît par la demande de brevet FR-2656035 un dispositif de pompage
d'un
liquide de forte viscosité, mais la totalité du volume du fluide moteur est
mélangé au pétrole
brut. De plus, cette installation ne décrit pas de dispositif mélangeur
dynamique et continu
placé en amont de la pompe.
L'invention améliore avantageusement les techniques antérieures notamment par
2 5 l'utilisation d'un dispositif mélangeur séparé de la pompe et permettant
un réglage approprié
des ca;actéristiques physiques du mélange amené à l'entrée de la pompe.
L'objet de la présente invention concerne donc un dispositif mélangeur continu
comportant un corps dans lequel circule des fluides entre une entrée et vers
une sortie dudit
corps et au moins deux fluides de viscosités différentes pénétrant par ladite
entrée. Le
3 0 dispositif comporte un arbre rotatif comportant au moins deux pales et il
est adapté à fournir
en sortie dudit corps un mélange desdits deux fluides, ledit mélange ayant une
viscosité
inférieure à celle du fluide d'entrée le plus visqueux.
CA 02077926 2003-09-22
2
Le profil des pales peut être tel, que sans circulation, la mise en rotation
des pales
procure une force de réaction sensiblement parallèle à l'axe de rotation et
dirigée dans ïe
même sens que l'écoulement quand celui-ci est établi.
Dans une autre variante, le profil des pales peut être tel que, sans
circulation, la mise
en rotation des pales ne procure pas de force de réaction de grandeur notable
parallèlement à
l'axe de rotation.
Le dispositif peut comporter au moins un ensemble de trois étages de pales,
chaque
étage pouvant être constitué par au moins deux pales ayant le même volume
cylindrique de
révolution. Les étages peuvent être décalés de 120° par rapport à l'axe
dudit arbre et les
volumes cylindriques engendrés par la révolution de chaque étage peuvent être
sensiblement
adjacents.
Le dispositif peut comporter quatre ensembles et ledit étage peut comporter
deux
pales disposées à 180°.
L'arbre peut être lié en rotation avec l'arbre d'une pompe hydraulique et la
sortie
dudit corps peut déboucher dans l'aspiration de ladite pompe.
La pompe peut être entraînée en rotation par un moteur hydraulique, lui même
pouvant être entraîné en rotation par l'injection d'un fluide sous pression.
Une partie du fluide sous pression injecté dans ledit moteur peut être conduit
à
2 0 l'entrée dudit corps.
Le corps du dispositif peut avantageusement comporter des déflecteurs dont la
bordure interne est sensiblement tangente au volume de révolution des pales.
La présente invention concerne aussi un
Dispositif de pompage d'un pétrole brut à haute viscosité
dans un puits comportant un cuvelage, ledit dispositif
comprenant:
- un dispositif mélangeur continu comportant:
un corps dans lequel circulent des fluides
entre une entrée et une sortie, au moins deux fluides de
30 Viscosités différentes pénétrant par ladite entrée,
CA 02077926 2003-12-18
2a
un arbre rotatif comportant au moins deux
pales, cet arbre étant adapté pour fournir un mélange
desdits deux fluides à la sortie du corps, ledit mélange
ayant une viscosité inférieure à celle du fluide d'entrée
le plus visqueux; et
une pompe hydraulique connectée au corps via
la sortie de celle-ci,
- un premier conduit pour amener le pétrole
brut à l'entrée du dispositif mélangeur,
- un second conduit reliant la sortie du
dispositif mélangeur à l'entrée de la pompe,
- un moteur hydraulique pour mettre en
rotation l'arbre rotatif du dispositif mélangeur,
- un conduit d'injection du fluide moteur
reliant une installation d'injection à la surface et au
moteur,
un conduit de sortie de la pompe remontant
le mélange à la surface, et
- un conduit de sortie du moteur remontant une
partie dudit fluide moteur en surface, l'autre partie étant
amenée à l'entrée du dispositif mélangeur par un autre
conduit.
L'invention concerne également un procédé de pompage d'un fluide de haute
viscosité dans lequel on amène ledit fluide ainsi qu'au moins un autre fluide
de plus basse
viscosité à l'entrée d'un dispositif mélangeur selon l'invention, le mélange
en sortie dudit
corps étant conduit à l'aspiration d'une pom~e.
Dans le procédé, on peut amener une partie du fluide moteur à l'entrée dudit
corps,
ledit fluide moteur étant injecté sous pression pour mettre en rotation le
moteur hydraulique
d'entraînement en rotation de la pompe et du dispositif.
L'invention concerne également l'utilisation du dispositif mélangeur selats
l'invention dans une installation de pompage d'un ,r~ét~role brut à h<rute.
viscositê dans i.~r~
2fl'~~~2~
3
puits comportant un cuvelage. L'installation comporte un conduit d'arrivée du
brut à l'entrée
dudit dispositif, un conduit reliant la sortie dudit dispositif à l'aspiration
d'une pompe, un
moteur hydraulique pour mouvoir en rotation la pompe et ledit dispositif, un
conduit
d'injection du fluide moteur reliant une installation d'injection à la surface
et le moteur, un
conduit de sortie de la pompe remontant le mélange à la surface et un conduit
de sortie du
moteur remontant une partie du t7uide moteur en surface, l'autre partie étant
amenée à
l'entrée dudit dispositif par un autre conduit.
Dans une première variante de l'utilisation, on peut placer un moyen
d'étanchéité
entre ledit conduit d'amenée du brut et les parois du puits délimitant un
conduit annulaire
1 0 communiquant jusqu'en surface et le mélange pompé peut remonter en surface
par ledit
conduit annulaire.
Dans une seconde variante, un seul conduit peut remonter ladite partie du
fluide
moteur et ledit mélange et en surface ce conduit peut communiquer avec une
installation de
séparation notamment du pétrole brut et du fluide moteur.
1 5 Afin de mieux faire comprendre l'invention, on va décrire, à titre
d'exemple
nullement limitatif, en se référant aux figures jointes en annexes, un mode de
réalisation
d'un dispositif mélangeur suivant l'invention, dans le cas d'exploitation d'un
gisement de
pétrole à haute viscosité.
La figure 1 représente une vue en coupe partielle du dispositif mélangeur.
2 0 La figure 2 représente une perspective de l'arbre rotatif du mélangeur
permettant de
mieux décrire la disposition respective des pales.
La figure 3 représente un graphique donnant la viscosité du pétrole et du
mélange
obtenu en fonction de la température.
La figure 4 représente le schéma d'une installation de pompage de pétrole brut
2 5 comportant le mélangeur.
La figure 5 représente une variante de la précédente installation de pompage.
La figure 6 représente une autre variante de l'installation de pompage.
Sur la figure 1, le mélangeur 1 est incorporé à un carter 12 solidaire du
corps de la
pompe non représentée sur cette figure. Le conduit 8 met en communication la
réserve de
3 D pétrole brut avec l'entrée 2 du corps 17 du mélangeur 1. Un orifice 9 met
en communication
4
le canal 10 avec l'entrée 2 du mélangeur. Le canal 10 est notamment situé dans
la paroi du
carter 12.
La sortie 3 du corps 1? du mélangeur 1 communique avec l'entrée 13 de la pompe
centrifuge dont la première roue est référencée 14.
Un arbre cylindrique 4 est guidé à ses deux extrémitês par le palier 6 et un
moyen de
connexion 5 avec l'arbre de la pompe centrifuge.
L'arbre 4 comporte des paires de pales 7 et 7a, symétriques par rapport à Taxe
de
l'arbre 4 et situées dans la même section. Dans cette réalisation, l'arbre est
équipé de douze
paires de pales disposées sur la longueur de l'arbre de façon à ce que le bord
supérieur
1 0 d'une pale soit sensiblement dans la même section que le bord inférieur de
la pale adjacente.
Ainsi, chaque volume de révolution engendré par la rotation d'une paire de
pales est
sensiblement adjacent avec le suivant.
Les pales sont inclinées d'un angle i aigu par rapport à l'axe de l'arbre
orienté
suivant la direction de l'écoulement, c'est-à-dire dans le sens de la flèche
15, le sens de
1 5 rotation de l'arbre étant indiqué par la flèche 16. Ce mode d'orientation
des pales
relativement au sens de rotation de l'arbre et au sens de circulation des
fluides dans le
mélangeur, procure un effort réactif sur l'arbre dans la même direction que la
circulation.
Cet effort est la composante axiale de la résultante des efforts réactifs sur
chaque pale. En
effet, la mïse en rotation de ces hélices que constitue l'ensemble des pales,
a tendance à
2 0 repousser le flux dans le sens contraire à sa circulation. Dans cette
disposition de profil, on
peut comparer le mélangeur à une hélice répulsive. Cette disposition favorise
l'action de
brassage des fluides dans le mélangeur pour obtenir un mélange homogène.
On ne sortira pas du cadre de cette invention si la section des pales n'est
pas inclinée
telle que ci-dessus. Dans certain cas d'utilisation simplifiée, les pales
peuvent être
2 5 notamment plates et leur largeur disposée parallèlement à l'axe de
l'arbre, c'est-à-dire que
l'angle i est nul. Les pales peuvent être également de forme sensiblement
cylindrique. D'une
manière plus générale, on pourra dire que dans cette réalisation le mélangeur
ne sera ni
répulsif vis-à-vis de l'écoulement, ni attractif. Le mode d'action est alors
proche d'une
action de cisaillement de la veine fluide en circulation.
3 0 Dans aucune des formes de réalisations, les pales du mélangeur continu ne
peuvent
avoir une action procurant une accélération de (écoulement, comme une hélice
attractive, ou
une roue de pompe centrifuge. Autrement dit, le mélangeur de notre invention
est totalement
différent d'un élément de compression, que celui-ci soit un élément de pompe,
un élément
5
de gavage ou un élément d'amorçage. Au contraire, le mélangeur de notre
invention procure
une chute de pression, généralement minime mais quand même sensible.
Les paires de pales sont réparties sur la périphérie de l'arbre avec un
décalage
angulaire de 120°. Ainsi, la quatrième pale a la même position
angulaire que la première
définissant alors un ensemble de trois paires de pales. La réalisation
représentée comporte
donc quatre de ces ensembles.
On ne sortira pas du cadre de cette invention si le nombre ou la disparition
des pales
sont différents. En effet, en fonction de la nature des fluides et de leur
débit dans le
mélangeur, on peut être amené à augmenter ou diminues le nombre de pales, et
même à
1 0 disposer plus de deux pales dans la même section transversale. Dans ce
cas, elles seront
réparties régulièrement à la périphérie de l'arbre. De plus, la valeur de
l'angle i peut être
variable mais inférieur ou égal à 90°, compte tenu des repères indiqués
plus haut.
La figure 2 montre en perspective partielle la disposition ainsi obtenu dans
la
réalisation préférentielle.
1 5 Le corps 17 du mélangeur comporte des déflecteurs 11 disposés suivant des
génératrices du volume intérieur cylindrique du corps. Cette réalisation
comporte quatre
déflecteurs répartis à 90°. Ces déflecteurs peuvem être réalisés de
manières multiples et
diverses, leur rôle principal étant de redresser la veine fluide en favorisant
les turbulences
crées par les pales tout en laissant circuler le fluide entre (entrée et la
sortie.
2 0 Sur la figure 3, on a tracé trois courbes A, B et C donnant la variation
de viscosité en
centipoise en fonction de la température en degré Celsius.
La courbe A concerne un pétrole brut lourd anhydre.
La courbe B donne la viscosité d'une émulsion constitué par 60°Io du
pétrole lourd de
la courbe A et de 40% d'eau, l'ensemble ayant traversé le dispositif mélangeur
de
2 5 l'invention avec un débit de 25001/heure et pour une vitesse de rotation
du mélangeur de
3000 tr/min.
La courbe C représente la viscosité d'un mélange obtenu dans un récipient à
partir de
la même proportion de pétrole brut et d'eau.
On remarque l'efficacité du mélangeur dynamique par rapport à un mélangeur
3 0 statique (courbe C).
~0~~~~s
6
La figure 4 représente une installation de pompage descendue dans un puits 20,
en
général cuvelé par un casing 21. Le puits est en communication avec un
gisement de pétrole
visqueux. Ce pétrole s'écoule dans le puits. La pompe de l'installation est
plongée dans le
pétrole 22 à une profondeur adaptée en fonction notamment des caractéristiques
du
gisement, de la configuration de la complétion et du niveau statique et
dynamique de
l'effluent.
La partie inférieure de l'installation se décompose ainsi
- 23 indique le conduit d'alimentation en pétrole brut,
-24 indique le mélangeur continu,
1 0 -25 indique la pompe,
-26 indique le moteur hydraulique d'entraînement de la pompe et du mélangeur.
La partie supérieure 27 se compose de tubulaires concentriques, assemblés
jusqu'en
surface où sont situés notamment une installation d'injection 28 du fluide
moteur, une sortie
d'une conduite de collecte 29 d'une partie du fluide moteur, une sortie d'une
conduite de
1 5 collecte 30 du mélange comprimé, une sortie d'une conduite de dégazage 31
et un départ de
la conduite d'injection 35 du fluide moteur.
La conduite 35 relie l'installation d'injection 28 à l'entrée 33 du moteur
hydraulique.
La conduite 3I est une conduite annulaire définie par le puits et l'extérieur
des
tubulaires et des carters de l'installation de pompage. Cette conduite relie
directement la
2 0 réserve de pétrole brut à la surface et permet de collecter en surface le
gaz tout en laissant le
pétrole se dégazer naturellement. Plus le fluide 22 sera dégazé, meilleur sera
le rendement de
l'installation de pompage.
La conduite 30 relie la sortie de la pompe 34 à la surface.
La conduite 29 relie la sortie 32 du moteur hydraulique.
2 5 Un conduit 37 relie la sortie 32 du moteur à (entrée 38 du mélangeur 24.
Le conduit d'alimentation 23 comporte deux tubes concentriques 40 et 41
formant
chicanes afin de favoriser le dégazage du brut. Celui-ci pénètre dans le
conduit par les
perforations 39, passe dans l'annulaire des tubes 40 et 41 puis remonte dans
le tube 41 pour
arriver à l'entrée 38 du mélangeur.
CA 02077926 2002-10-04
7
Les arbres rotatifs 42, 43 et 44 respectivement du mélangeur, de la pompe et
du
moteur, sont liés en rotation, c'est-à-dire que la rotation de l'arbre du
moteur entraîne la
rotation de l'arbre de la pompe et de l'arbre du mélangeur. On ne sortira pas
du cadre de
cette invention si ces trois axes ne sont pas confondus et si leurs vitesses
ne sont pas
identiques.
Le moteur 26 peut être du type turbine ou volumétrique, par exemple suivant le
principe Moineau. La circulation du fluide moteur dans le moteur peut se faire
de bas en haut
ou l'inverse.
La pompe peut être du type centrifuge mono ou multi-étagée ou du type
volumétrique
par exemple suivant le prinçipe Moineau_
En illustration, les dimensions de la triple
complétion concentrique descendue dans le cuvelage 21 de
dimension 9 5/8", peuvent être: de 7" pour la conduite 30,
de 4 1/2" ou S" pour la conduite 29 et de 2" ou 2 7/8" pour
la conduite 35.
Dans une première variante représentée sur la figure 5, l'installation est
simplifiée du
point de vue du nombre de conduites par rapport à la réalisation
préférentielle de la figure 4
où l'on utilise trois conduites concentriques 30, 29, 35 dans le puits 20,
c'est-à-dire une
complétion triple. En effet, dans les cas où le pétrole brut ne dégaze pas, on
peut installer
sur le corps inférieur de l'ensemble de pompage, un élément d'étanchéité type
packer 45
entre Ia conduite d'alimentation en pétrole et les parois du puits. Ce packer
isole la zone de
réservoir et permet l'utilisation de la conduite annulaire 46 supérieure audit
packer pour la
remontêe du mélange de la sortie 34 de la pompe jusqu'en surface. La
complétion comporte
alors deux tubes 29 et 35 pour respectivement la remontée d'une partie du
fluide moteur et
l'injection du fluide moteur.
Une seconde variante de l'installation de pompage est représentée sur la
figure 6. II
s'agit ici de faire remonter ensemble le mélange pompé et Ia partie du fluide
moteur. Les
sorties 32 et 34 respectivement du moteur et de la pompe communiquent dans une
seule et
même conduite 47. Cette conduite est reliée en surface à une installation 48
adaptée à la
séparation du pétrole brut, du fluide moteur et des autres fluides du mélange
si ceux-ci ne
sont pas le fluide moteur. En sortie de l'installation de sêparation, une
conduite 49 récupère
le fluide moteur pour le recycler dans l'installation 28 d'injection.
CA 02077926 2002-10-04
7a
Les conduites 29, 30 et 35 peuvent ne pas être concentriques, en effet l'art
antérieur
connaît les complétions multiples non concentriques, c'est-à-dire à l'aide de
tubes parallèles
dans le puits 20.
~~~7~~~
s
On ne sortira pas du cadre de cette invention si le fluide de viscosité plus
faible admis
a l'entrée du mélangeur par l'orifice 9 est différent du fluide moteur utïlisé
pour la
motorisatïon de l'installation de pompage. De plus ce fluide de viscosité plus
faible peut
comporter plusieurs constituants adaptés à favoriser le mélange. Dans ce cas
on pourra
S utiliser une autre ligne d'alimentation séparée et reliée à la surface.
Le ou les fluides) mélangés) au fluide de haute viscosité peuvent être
d'origine
minérale ou organique. Le mélange obtenu par le mélangeur selon l'invention
sera une
émulsion et/ou une dilution.
Les proportions des constituants du mélange peuvent être variables en fonction
des
1 0 caractéristiques du gisement et de la nature des fluides en place. Dans le
cas de (installation
de la figure 4 et de ses variantes figures 5 et 6, des moyens de régulation du
débit de fluide
injecté à l'entrée du mélangeur sont notamment situés ente la sortie du moteur
et la conduite
ou 37.
On ne sortira pas du cadre de l'invention si le puits comporte une portion
incliné et
1 5 même pouvant être proche de fhor!zontale. L'installation de pompage est
alors en général
descendue dans une partie du puits fortement inclinée.
