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La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant
d'augmenter la performance du pompage et de la poussée pour des dispositifs
dans lesquels on utilise un fluide induit pour entraîner un autre fluide par destransferts directs de moment et d'énergie .
Le brevet US-4,485,518 de FOA décrit une méthode et un dispositif dans
lesquels on effectue un transfert direct d'énergie de manière efficace entre un
fluide primaire ou fluide moteur et un fluide que l'on souhaite transférer sur un
certaine distance. L'amélioration apportée par FOA par rapport au brevet
US-3,046,732 du même demandeur consiste à séparer le fluide moteur en deux
parties, à éjecter une première partie à travers des orifices situés sur un rotor
vers un fluide à transporter, et à utiliser le jet de fluide résultant de la seconde
partie du fluide moteur passant par un orifice central pour entraîner la première
partie du fluide moteur et le fluide à transporter. Cette manière de procéder
minimise les cisaillements pouvant apparaître dans un fluide à la surface d'une
pièce mécanique et donc d'éventuels fluides de retour qui diminuent l'efficacitéde pompage d'un tel dispositif. Les roulements et les butées permettant la
rotation du rotor sont en contact avec le fluide à transporter.
L'utilisation de tels roulements est mal adapté dans des applications pour
lesquelles les fluides possèdent des énergies élevées. En effet, la vitesse de
rotation du rotor associée au sens unique d'éjection de fluides possédant des
valeurs de puissance élevées, conduisent à une usure rapide des roulements et
des butées.
De plus la présence de particules, par exemple des particules solides telles
que du sable, diminuent la fiabilité d'un tel dispositif.
La présente invention vise à pallier de tels inconvénients et notamment à
améliorer la durée de vie des pièces permettant d'assurer la rotation d'un rotorpar rapport à une enveloppe où il se trouve positionné lorsque les fluides
utilisées possèdent des puissances élevées.
Ainsi la présente invention a pour objet une machine simple, robuste et
fiable permettant d'améliorer les dispositifs de poussée et de pompage,
notamment en évitant l'usure de pièces sollicitées par des poussées axiales
importantes résultant de fluides ayant des énergies élevées.
Elle peut notamment être utilisée dans le domaine de la production de
bruts lourds.
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En accord avec la présente invention, le dispositif permettant d'obtenir un
tel résultat comporte une pièce libre de tourner autour d'un axe, la pièce
comportant au moins deux éjecteurs, ladite pièce étant reliée à un conduit
d'introduction d'un fluide moteur sous pression, une enveloppe fixe positionnée
autour de ladite pièce libre de tourner de manière à créer un espace de
mélange entre ledit fluide moteur et un fluide primaire, ladite pièce étant munie
d'au moins un orifice d'introduction dudit fluide primaire dans l'espace de
mélange. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un premier moyen propulsant au
moins une partie du fluide moteur dans une première direction et au moins un
10 second moyen propulsant une partie au moins dudit fluide moteur dans une
seconde direction de façon que la poussée axiale induite par un jet émis dans lapremière direction compense au moins partiellement celle d'un jet émis dans la
seconde direction par un autre éjecteur.
Le premier moyen et le second moyen forment respectivement un angle a
et 1 80-o~ par rapport à l'axe pour que la direction du premier jet et la direction
du second soient opposées.
La pièce libre de tourner est, par exemple, maintenue par rapport au
20 conduit d'introduction du fluide moteur à l'aide de paliers et de butées fluides.
Le nombre d'éjecteurs est pair et peut être choisi en fonction d'au moins
une caractéristique du fluide moteur.
Le dispositif peut comporter un dispositif de prélèvement du fluide primaire
relié au conduit d'introduction dudit fluide moteur.
Le dispositif peut être situé à l'intérieur d'une conduite ou casing, et/ou
entre deux éléments d'une conduite.
La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 d'introduction du fluide à
pousser sont, par exemple, déterminés à partir d'au moins une caractéristique
du fluide primaire.
La présente invention concerne aussi une méthode permettant de
communiquer à un fluide primaire une certaine énergie par échange direct
d'énergie entre un fluide moteur et ledit fluide primaire. Elle est caractérisée en
ce que l'on éjecte ledit fluide moteur sous forme de plusieurs sous jets
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sensiblement simultanément dans une première direction et une seconde
direction de façon à ce que la poussée induite par un jet émis dans la première
direction équilibre sensiblement celle d'un jet émis dans la seconde direction.
On éjecte lesdits sous jets dans des directions sensiblement opposées.
La méthode et le dispositif de mise en oeuvre de la méthode est
particulièrement bien appliquée au pompage d'un fluide polyphasique
comportant une phase gazeuse, et une phase liquide et une phase solide, telle
que du sable, notamment le pompage d'un effluent de type pétrolier provenant
d'un puits.
Les différents avantages apportés par l'invention résident notamment dans
une augmentation de la durée de vie de pièces mises en rotation, par exemple
par des fluides ayant des valeurs de pression très élevées.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront
clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les
figures suivantes parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre l'art antérieur constituant le brevet US 4,239,155,
- la figure 2 illustre un mode de réalisation préférentiel selon l'invention, et- la figure 3 schématise le dispositif utilisé comme Booster pour pousser un
effluent en écoulement dans une conduite.
L'art antérieur décrit sur la figure 1 comporte un dispositif à jets tournant
dans lequel un fluide moteur sous pression P est introduit par un conduit 1' dans
un rotor 2' dans lequel une partie majoritaire du fluide moteur ressort à travers
des éjecteurs 3' situés sur le rotor sous forme de jets ayant une direction
inclinée pour que les jets ainsi obtenus mettent et maintiennent en rotation le
rotor 2'. Le rotor est supporté par une enveloppe extérieure fixe 7' par
l'intermédiaire de roulements 8' assurant la rotation du rotor 2'. Une autre partie
du fluide moteur passe à travers un conduit central 10' pour être ensuite
mélangé à un fluide auxiliaire introduit par des orifices situés dans l'enveloppe
7'. Un espace d'interaction 5' permet le mélange de la partie dérivée par les
éjecteurs 3' et du mélange passant délivré par le jet central J avec le fluide
primaire K.
Un tel dispositif est mal adapté lorsque le fluide moteur utilisé possède une
pression élevée et lorsque la vitesse de rotation du rotor est élevée, du fait de la
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présence de roulements qui s'usent très rapidement du fait du mouvement de
rotation et de la puissance des jets.
La figure 2 montre un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention
qui améliore l'art antérieur précité, notamment en minimisant l'usure des piècesmises en rotation.
Le dispositif selon l'invention est par exemple positionné dans une
conduite ou casing 1 dans lequel circule un fluide appelé par la suite fluide
10 primaire auquel on veut communiquer une certaine énergie pour le transférer
d'un endroit à un autre.
Le dispositif est maintenu par rapport au casing 1 à l'aide d'une pièce 2 et
comporte un conduit interne ou conduit d'introduction 3 dans lequel un fluide
moteur sous pression provenant d'une source extérieure non représentée est
introduit. Une pièce 5 ayant de préférence une forme d'enveloppe cylindrique
est positionnée par exemple de façon coaxiale par rapport à l'axe A du conduit
d'introduction 3. Le diamètre interne de l'enveloppe cylindrique 5 est supérieure
au diamètre externe du conduit d'introduction 3, pour créer un espace annulaire
E entre ces deux pièces. Des orifices 7 percés sur le conduit d'introduction 3
20 laissent passer le fluide moteur vers cet espace annulaire E. La liaison de la
pièce 5 avec la conduite d'introduction 3 est assurée, par exemple, par un
ensemble 6 pouvant être formé par un palier fluide et une butée fluide, ce type
de paliers et de butées minimisant les frottements existant entre les pièces en
rotation telles les pièces 3 et 5.
La pièce 5 comporte aussi au moins deux moyens d'éjection, tels que des
éjecteurs 8a et 8b, permettant d'éjecter le fluide moteur de l'espace annulaire E
vers le fluide primaire circulant dans le casing 1.
La pièce 5 est libre en rotation. Du fait de ce mouvement de rotation, les
jets de fluide sortant des éjecteurs 8a et 8b prennent les formes d'hélicoïdes qui
30 permettent de transférer de l'énergie au fluide primaire à pousser.
Une enveloppe cylindrique fixe 9, est disposée, de préférence coaxiale à
la pièce 5, et maintenue par rapport à cette dernière par exemple grâce à une
pièce 10 assurant son centrage inférieur et une pièce 11 assurant son centrage
supérieur. La pièce 5 et l'enveloppe 9 sont positionnées de façon à créer un
espace de mélange 12. Dans cet espace 12 le fluide moteur introduit par les
éjecteurs 8a et 8b sous forme de deux sous-fluides F1 et F2, les quantités de F1et F2 étant sensiblement identiques, se mélangent au fluide primaire circulant
dans le casing 1, introduit dans l'espace de mélange 12 comme il est décrit ci-
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après. On obtient ainsi deux sous mélanges ayant des directions de circulationdans l'espace 12 sensiblement opposées.
Une pièce 15, tel qu'un tubing, forme la paroi extérieure du dispositif. Elle
est pourvue d'orifices 14 et d'orifices 13 situés respectivement de chaque côté
des parois et du tubing et communiquent entre eux grâce par exemple à des
inserts 16 reliant un orifice 13 à un orifice 14. Ainsi le fluide primaire circulant
dans le casing 1 passe à travers un orifice 14, un insert 16 et un orifice 13, avant
de pénétrer dans l'espace de mélange 12. Les trois pièces 13, 14 et 16 sont de
préférence, alignées.
Lorsque la pièce 2 de maintien du dispositif de pompage par rapport au
casing est un "packer étanche", isolant la pièce 15 du casing 1, I'écoulement deretour se faitl par exemple, dans l'espace annulaire 19 compris entre le casing 1
et le conduit d'introduction 3 du fluide moteur.
Selon un autre mode de réalisation, la pièce 2 est une pièce de centrage
du tubing 15 dans le casing 1. L'écoulement de retour s'effectue alors dans
l'espace annulaire 1b compris entre le tubing 15 et le conduit d'introduction 3,pouvant être un "coil tubing".
Les deux sous-fluides moteur F1 et F2 aspirent le fluide primaire introduit
dans l'espace 12 et l'entraînent en formant deux sous-mélanges M1 et M2 ayant
20 des directions de circulation sensiblement opposées.
Le sous-mélange M1 ressort par exemple par une des extrémités de
l'espace de mélange 12 pour passer ensuite dans l'espace 18 formé par les
pièces 9 et 15. Il débouche dans une conduite 1b reliant les espaces 12 et 18 à
la conduite de circulation 1.
Le sous-mélange M2 ressort par l'extrémité opposée à la précédente
directement, par exemple, dans la conduite 1 b.
La pièce 15 est reliée au conduit d'introduction 3 central du dispositif, par
exemple, par l'intermédiaire d'une pièce 17 assurant notamment l'étanchéité
des différentes pièces 3, 5, 9, 15 du dispositif entre elles. L'agencement de ces
30 pièces et l'étanchéité obtenue à l'aide de la pièce 17 sont tels que le fluide
moteur passe principalement par les éjecteurs 8a et 8b en produisant deux sous
fluides F1 et F2, et que la majorité des sous-mélanges M1 et M2 passent de
l'espace de mélange 12 vers l'espace annulaire 18 ou directement dans la
conduite 16. Les sous-fluides F1 et F2 et les deux sous-mélanges Ml et M2 sont
ainsi canalisés.
Les éjecteurs 8a et 8b font, par exemple, un angle avec l'axe longitudinal A
du dispositif, respectivement a et (180 - a), de façon que les jets de fluide
moteur éjectés dans l'espace de mélange situé entre les pièces 5 et 9, par les
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éjecteurs 8a possèdent une direction sensiblement opposée à celle des jets de
fluide moteur passant par les éjecteurs 8b. Cette manière de procéder permet
d'équilibrer la poussée de fluide résultant de l'énergie élevée des jets provenant
des éjecteurs 8a ayant une première direction par celle des fluides provenant
des éjecteurs 8b ayant une seconde direction.
Du fait de l'angle d'inclinaison a et (180 - a) des éjecteurs 8a et 8b, et du
mouvement de rotation de la pièce 5, les jets de fluide moteur sont issus des
éjecteurs 8a, 8b par exemple sous une forme hélicoïdale. Ces jets ont ainsi une
fonction sensiblement identique à la fonction de pâles mécaniques
10 habituellement utilisées dans les dispositifs de poussée, tout en évitant les problèmes mécaniques pouvant être rencontrés.
Le nombre des jets de fluide moteur ayant des directions opposées et
produits par un dispositif selon l'invention, est, de préférence, un nombre pair.
Un tel choix confère au dispositif une symétrie car les jets de sous fluides émis
dans chacune des directions sont identiques, ce qui équilibre sensiblement les
poussées résultant de la puissance des jets du fluide moteur, telles que les
poussées axiales.
Le nombre des éjecteurs 8a, 8b est par exemple choisi en fonction du
20 fluide moteur, par exemple en fonction de sa viscosité.
La paroi interne de la pièce 15 située au voisinage de la pièce 17
comporte par exemple trois parties 1 5a, 1 5b et 1 5c.
La partie 15c s'adapte à la pièce d'étanchéité 17. Elle est prolongée de
part et d'autre par des parties 1 5a ayant de préférence une forme arrondie, lesparties 15a étant elles-mêmes prolongées par des parties 15b.
La forme arrondie des partie 1 5a est adaptée pour que le passage du sous
mélange M1 de l'espace 12 vers l'espace 18 s'effectue avec un minimum de
pertes de charges et en évitant les effets de cisaillement.
L'utilisation d'un tel système symétrique comportant au moins deux
éjecteurs 8a, 8b produisant des jets de fluide moteur dans des directions
sensiblement opposées, minimise le déséquilibre résultant de la poussée, par
exemple la poussée axiale, qui peut être importante lorsque les fluides ont des
valeurs de pression importante.
Le nombre des jets de fluide moteur créés pour propulser le fluide primaire
est fonction de l'énergie à transmettre au fluide primaire car on limite
volontairement la vitesse de sortie des jets moteurs pour diminuer fortement les
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phénomènes d'usure par abrasion et éviter les phénomènes de cavitation, tous
deux préjudiciables à une bonne fiabilité du dispositif.
L'angle d'inclinaison a et (180 - a) des éjecteurs 8a et 8b par rapport à
l'axe A du dispositif peut être choisi en fonction de la vitesse de rotation
souhaitée pour les jets de fluide moteur afin d'obtenir le rendement énergétiqueoptimal lors du transfert d'énergie entre le fluide moteur et le fluide primaire.
Le fluide moteur est généralement un fluide ayant une faible viscosité par
rapport à la viscosité du fluide primaire. La proportion du fluide moteur est
10 choisie en fonction de la viscosité du fluide primaire afin d'obtenir un mélange
(fluide moteur- fluide primaire) transportable sans perte de charges excessives
liées à la viscosité du mélange.
La proportion de fluide moteur introduit dans l'espace de mélange 12 est
contrôlée, par exemple, par le nombre d'orifices 7 positionnés sur le conduit
d'introduction 3 et par le nombre d'éjecteurs 8a et 8b.
Il est aussi possible de contrôler l'introduction du fluide primaire en
choisissant le nombre des orifices 13 et 14.
Pour des fluides primaires visqueux, cette manière de procéder est
20 avantageuse et permet d'obtenir une meilleure fluidité du mélange si la
disponibilité en fluide moteur est limitée.
La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 est déterminée en
fonction de la nature du fluide primaire à propulsion et de la pression de ce
fluide. Ainsi pour un fluide polyphasique de type pétrolier il est souhaitable de
tenir compte de la présence éventuelle de particules solides.
Le fluide moteur peut être un fluide de type miscible ou non. Il peut inclure
des produits tels des inhibiteurs habituellement utilisés par exemple dans le
30 domaine pétrolier, des produits anticorrosion, des anti hydrates, des produits
capables d'éviter la formation des asphaltènes ou de tout autres dépôts
résultant, notamment des changements de pression et de température. La
présence de tels produits améliore la fiabilité des dispositifs de pompage.
Le fluide moteur peut être prélevé à partir du fluide primaire circulant dans
la conduite 1.
Le dispositif comporte un système (non représenté) permettant de prélever
une certaine quantité de fluide primaire et de le porter à une valeur de pression
suffisante pour qu'il puisse servir de fluide moteur (recyclage).
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Le présent dispositif peut être positionné à l'extrémité, par exemple d'un
coil-tubing introduit dans des puits verticaux ou horizontaux d'effluents de type
pétrolier.
La figure 3 schématise un exemple d'application du dispositif utilisé
comme "booster".
Avantageusement, le dispositif selon l'invention est utilisé comme "booster"
pour le transport d'effluents pétroliers en écoulement dans une conduite, par
10 exemple d'une source telle qu'un puits vers un lieu de traitement.
La figure 3 montre le dispositif décrit à la figure 2 positionné dans la
conduite 1 par exemple. Le dispositif est maintenu à la conduite 1 par des
moyens tels des packers 20. La conduite 1 comporte, par exemple, une
ouverture permettant le passage du conduit 3 d'arrivée du fluide moteur
provenant d'une source extérieure.
Le dispositif ainsi positionné permet de communiquer de l'énergie à un
fluide en circulation dans la conduite dans le sens par exemple représenté par
la flèche P.
L'effluent pétrolier à propulser ou fluide primaire circulant dans la conduite
1 selon le sens indiqué par exemple par la flèche P, passe à travers le dispositif
comme il a été décrit à la figure 2 dans lequel il acquiert une certaine quantité
d'énergie. Lors de ce mélange, il y a eu échange direct d'énergie entre le fluide
moteur et le fluide primaire, le mélange ressort alors à l'extrémité 21 du dispositif
avec une énergie suffisante assurant son transport jusqu'à un lieu de traitementou de réception par exemple, non représenté.
