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La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant
d'augmenter la performance du pompage et de la poussée de dispositifs dans
lesquels un fluide moteur est induit dans un fluide primaire à transporter et
transfert à ce dernier une certaine quantité d'énergie.
La méthode selon l'invention trouve avantageusement son application
dans le cadre de la production pétrolière pour le transfert d'effluent pétrolier, tels
des bruts lourds, gazés et chargés en particules solides telles que du sable ou
des hydrates. Elle est de plus bien adaptée aux fluides ou produits visqueux,
10 gazés et contenant des particules abrasives ou de nature agressives, tels queH2S, CO2 et les saumures rencontrés dans la majorité des effluents de type
pétrolier.
De manière avantageuse, les dispositifs selon la présente invention sont
particulièrement bien adaptés à l'exploitation de puits sous-marins et, se révèle
plus aisée que la technique de pompage par électropompe de fond actuellement
utilisée.
Le transfert direct d'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire à
2 0 transporter est décrit dans l'art antérieur.
Ainsi, le~s brevets US 3,046,732, US 4,485,518 et US 4,865,518 décrivent
des dispositifs et des méthodes dans lesquels il y a transfert de quantité de
mouvement et d'énergie d'un premier fluide à un second fluide.
L'enseignement contenu dans le document US 4,485,518 a principalement
pour but de minimiser les effets de cisaillement créés dans le fluide primaire àpomper et pouvant apparaître au niveau des interfaces entre le fluide et des
pièces mécaniques du dispositif. Pour cela l'invention consiste à séparer le
3 0 fluide moteur en deux parties, à éjecter une première partie de ce fluide à travers
des orifices situés sur un rotor vers un fluide primaire, 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 primaire. On
minimise ainsi les cisaillements susceptibles d'apparaltre entre un fluide et une
pièce mécanique. Les jets de fluide moteur sont émis de façon continue à traversles orifices d'éjection.
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,
Les problèmes générés par le contact des particules et des pièces
mécaniques du dispositif peuvent conduite à une diminution de la fiabilité du
dispositif et conduire à des interventions plus fréquentes pour remplacer les
pièces.
Dans le brevet US 4,865,518, il est connu d'éjecter un fluide moteur sous
forme de jets à travers des orifices et des rainures situées sur la paroi externe
d'une pièce rotative, cette pièce étant positionnée à l'intérieur d'une conduitedans laquelle circule un fluide primaire à pomper. Les jets de fluide moteur issus
10 lors de la rotation de cette pièce transferent de manière tangentielle leur énergie
au fluide primaire, cette tangentialité risquant notamment d'engendrer un
déséquilibre dans le transfert d'énergie.
Il est aussi connu d'utiliser des dispositifs utilisant l'énergie apportée par
des jets pour la propulsion dans le domaine naval ou aérospatial.
L'utilisation de l'énergie de jets est aussi utilisée dans les pompes à jets
classiques décrites, par exemple dans le brevet FR-2.617.245 du demandeur.
De tels dispositifs émettent un jet axial continu à vitesse élevée qui par
20 cisaillement en périphérie entraîne le fluide à transporter, et conduit à uneefficacité moindre de l'utilisation d'énergie. En outre, de telles pompes peuvent
présenter des problèmes tels que les dépressions d'aspiration provoquant des
dégazages importants, des phénomènes de cavitation, ainsi que des usures au
niveau des duses du fait des vitesses élevées des fluides et de la présence
éventuelle de particules solides dans les fluides avec lesquelles elles se
trouvent mises en contact. Ces inconvénients abaissent le rendement de ces
dispositifs. De plus, le réglage de telles pompes pour fonctionner de manière
optimale nécessite de connaître la valeur de paramètres souvent difficiles à
mesurer et variables.
Les dispositifs existants ne permettent donc pas, à la fois, de générer un jet
axial intermittent de fréquence et de longueur variable ou une lame de fluide
tournante axiale ou annulaire, ces jets ayant un effet identique à l'effet obtenu
par des pistons de type mécanique habituellement utilisés tout en évitant les
inconvénients engendrés par ces derniers, notamment les problèmes lors de la
rotation de pièces mécaniques entre elles et leur usure.
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"
L'invention a pour objet d'améliorer l'efficacité du pompage utilisant le
transfert d'énergie d'un fluide moteur à un autre fluide. Elle permet de plus
d'augmeriter la durée de vie de pièces mécaniques mises en rotation les unes
par rapport aux autres, notamment en soustrayant ces pièces au contact des
fluides contenant des hétérogénéités telles que des particules.
Ainsi la présente invention a pour objet une méthode et une machine
simple, robuste et fiable, bien adaptées notamment pour le transfert de fluide tel
qu'un fluide visqueux difficile à entraîner ou qui du fait de sa nature nécessite
10 des efforts et des énergies importants pour la mise en rotation des différentes
pièces entre elles.
La présente invention concerne une méthode permettant de communiquer
directement de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire à pomper. Elle
se caractérise en ce que l'on produit au moins un jet de fluide à partir d'une
pièce de distribution statique comportant au moins un orifice en mettant en
rotation une pièce mobile comportant au moins un moyen d'obturation desdits
orifices, ladite pièce mobile étant en contact uniquement avec ledit fluide moteur
exempt d'hétérogénéités de façon que le ou lesdits jets de fluide soient envoyés20 de manière intermittente.
On peut envoyer les jets de fluide moteur par séquences de façon à
générer des pistons fluides intermittents de longueur définie à des intervalles de
temps donnés.
On envoie, par exemple, les pistons fluides à des intervalles de temps
identiques.
Selon un mode de réalisation, on produit les jets de fluide, par exemple,
3 0 par l'intermédiaire d'orifices ayant une géométrie adaptée pour que les pistons
fluides générés aient des longueurs identiques.
Pour un fluide primaire en écoulement dans une conduite, on peut envoyer
le fluide moteur de façon à générer plusieurs pistons fluides répartis dans
l'espace de façon à générer une poussée fluide ayant~ sensiblement la forme
d'une spirale, ou sensiblement hélicoïdale.
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. ~
La présente invention concerne aussi un dispositif de pompage par
échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide primaire. Il comporte,
par exer~ple en combinaison, une pièce creuse statique laissant le passage
dudit fluide moteur, ladite pièce creuse statique comportant à au moins une de
ses extrémités au moins un orifice Oi, une pièce de distribution comprenant au
moins un orifice Ei, ladite pièce de distribution étant située par rapport à la pièce
creuse statique pour laisser passer le fluide moteur d'un orifice Oi vers un orifice
Ei, les pièces de distribution et la pièce statique étant solidaire, par exemple,
grâce à une pièce de liaison et d'étanchéité, une pièce mobile disposée dans
10 I'espace formé par la pièce creuse statique, la pièce de distribution, et la pièce
de liaison, ladite pièce mobile portant au moins un moyen permettant d'obturer
les orifices Ei, de manière telle qu'au moins une partie dudit fluide moteur soit
éjecté de manière intermittente vers le fluide primaire lors de la rotation de la
pièce mobile.
La pièce mobile peut être une turbine mise en rotation par le fluide moteur.
Le nombre des orifices Oi situés sur la pièce creuse statique peut être égal
au nombre des orifices Ei situées sur la pièce de distribution.
Il comporte, par exemple, une pièce située dans le prolongement de la
pièce de distribution et alignée avec cette dernière à l'aide de moyens, la pièce
comportant au moins une ouverture créant un espace de mélange.
La pièce mobile est, par exemple, une turbine à action ou une turbine à
réaction mise en rotation par le fluide moteur.
Les orifices de la pièce de distribution sont, par exemple, constitués par
une fente unique circulaire et les moyens d'obturation de la fente peuvent être
3 0 constitués d'un patin adapté à laisser le passage des jets de fluide moteur sur
une largeur déterminée.
La pièce de distribution est, par exemple, prolongée par une pièce dont la
forme est adaptée pour créer un ou plusieurs espaces de mélange.
On peut utiliser la méthode et le dispositif pour communiquer de l'énergie
d'un fluide moteur à un fluide primaire tel un fluide polyphasique de viscosité
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élevée, ou à un fluide polyphasique comportant des particules solides, ou
encore à un effluent pétrolier.
Minimiser le nombre de pièces mécaniques habituellement utilisées dans
les dispositifs classique de pompage, notamment en remplaçant les pales
mécaniques des pompes volumétriques ou rotodynamiques par des pales
fluidiques conduit à augmenter la fiabilité du dispositif et à réduire les problèmes
provenant des pièces mécaniques.
Le système de séquencement du dispositif offre notamment l'avantage
10 suivant, aucune pièce mobile n'est en contact avec des effluents pompés plus ou
moins agressifs. Au niveau du dispositif, les pièces mobiles se situent au contact
d'un milieu réputé propre ce qui confère au dispositif une durée de vie
supérieure à la durée de vie des dispositifs habituellement utilisés par l'art
antérieur.
L'énergie nécessaire à la fonction d'obturation séquentielle des orifices
laissant passer le fluide moteur est faible.
En utilisant un palier fluide entre les pièces en rotation les unes par rapport
aux autres, il est aussi possible de diminuer l'usure se produisant au niveau del'axe de rotation de la pièce mobile.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront
clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les
figures suiva'ntes parmi lesquelles:
- les figures 1A, 1B, 1C et 1D schématisent un dispositif selon l'invention
délivrant des jets de fluide moteur ou pistons liquides intermittents et un
exemple de séquence d'envois de ces jets,
- les figures 2, 2B, 2C, 2D et 2E schématisent une autre variante du dispositif et
les cycles d'éjection des jets associés, et
- les figures 3 et 4 montrent des variantes de dispositif pour lesquelles le
3 0 frottement direct est minimisé par utilisation d'un pivot axial.
Les exemples de réalisation du dispositif décrits en relation avec les figures
1A à 4 concernent différentes variantes d'un dispositif de pompage d'un fluide,
par exemple de type polyphasique comportant des particules solides, ou un
fluide primaire à pomper ou à transférer sur une distance donnée auquel on
transfère directement une partie de l'énergie que possède un fluide moteur.
On génère, par exemple, les jets de manière intermittente dans l'espace ou
dans le temps ou sous forme de lames fluides tournantes axiales ou annulaires.
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. ~
Le dispositif de pompage de la figure 1 est inséré, par exemple dans une
conduite 1 dans laquelle circule le fluide primaire ou fluide polyphasique,
provenant, par exemple, d'un puits pétrolier non représenté sur la figure.
Il comporte une pièce creuse statique 2 qui communique avec une source
de fluide moteur sous pression, tel qu'un liquide mis sous pression. Une des
extrémités de la pièce 2 est, par exemple, en forme de T comprenant
successivement une partie 3a, une extrémité 3b et une autre partie 3c. Les
parties 3a et 3c comportent, par exemple, des orifices Oi qui laissent passer le10 liquide moteur de l'intérieur de la pièce creuse statique 2 vers une pièce dedistribution 4 comportant par exemple plusieurs ouvertures ou orifices Ei. La
pièce de distribution 4 est située sensiblement dans l'axe de la pièce creuse
statique 2 et maintenue par une pièce de liaison 5, cette dernière assure de plus
l'étanchéité entre les différentes pièces pour que le fluide primaire pouvant
comporter des impuretés s'écoule uniquement ou pratiquement en totalité dans
la conduite 1. De cette manière on empêche le passage du fluide primaire dans
l'espace formé par la pièce creuse statique 2, la pièce de distribution 4 et la
pièce de liaison 5, et on évite le contact des impuretés avec les pièces mobilesdu dispositif décrites ci-après. Une pièce mobile 6, telle qu'une turbine à action
20 est positionnée entre la pièce creuse statique 2 et la pièce de distribution 4; elle
se trouve de cette façon uniquement en contact avec le liquide moteur du fait del'étanchéité assurée par la pièce de liaison 5, et donc avec un liquide exempt ou
comportant'une proportion infime d'impuretés. La turbine est par exemple,
mobile en rotation autour de la partie 3b de la pièce 2 par l'intermédiaire de
paliers 8. La turbine peut être munie de pales P servant de support à au moins
un moyen d'obturation des orifices Ei, par exemple un patin 7. Lors du
mouvement de rotation de la turbine sous l'action du fluide moteur, le patin 7
obture de manière séquentielle les orifices Ei, ce qui génère des jets de fluidemoteur, tels des pistons fluides ou liquides, qui rencontrent le fluide primaire à
3 0 pomper et le propulsent en lui communiquant au moins une partie de l'énergiequ'ils possèdent. La rencontre du fluide primaire et de pistons liquides se fait,
par exemple, après ou en sortie des orifices Ei.
Le mélange formé des pistons liquides et du fiuide primaire est ensuite
transféré, par exemple, vers une station de traitement par l'intermédiaire d'uneconduite de transfert, ou vers une conduite de prolongation.
Les vitesses du fluide primaire et des pistons liquides sont telles que la
probabilité d'un retour éventuel du fluide primaire à travers les orifices Ei vers
I'espace dans lequel se trouve la pièce mobile est minimisée, voire éliminée. De
21531~
~,
cette façon, la rencontre d'impuretés avec la turbine en rotation est pratiquement
exclue. La vitesse d'un piston liquide est, par exemple, très supérieure à celle du
fluide primaire, elle est, par exemple, de l'ordre de 1 OOm/s.
Afin de favoriser le mélange piston liquide, fluide primaire, les orifices Oi
sont de manière avantageuse, inclinés.
La mise en rotation de la turbine portant le patin peut aussi être
commandée par un dispositif non représenté qui permet de faire varier la vitessede rotation.
La vitesse de rotation est choisie, par exemple, en fonction de la fréquence
10 d'envoi des pistons fluides ou pistons liquides formés par le passage des jets de
liquide moteur à travers les orifices Ei que l'on souhaite.
La géométrie des orifices Ei, c'est-à-dire leur forme et leur dimension fixe,
par exemple, le rapport de la longueur active du piston liquide injecté par rapport
à la longueur total ou durée totale du cycle de production des pistons.
Afin d'améliorer le transfert d'énergie entre un piston liquide provenant d'un
orifice Ei et le fluide primaire, il est possible de placer dans le prolongement de
la pièce de distribution 4, une pièce 9 conçue pour délimiter au moins un canal
12i (figures 1A et 1B) dans lequel le mélange du fluide primaire et du piston
2 0 liquide s'effectue quasiment en totalité. Un canal 1 2i comporte, par exemple, une
première partie et une seconde partie ayant respectivement une première
longueur Z1 et une seconde longueur Z2. La première partie ou mélangeur a
une section' sensiblement constante sur la majorité de sa longueur Z1 et la
seconde partie ou diffuseur a une section allant en s'évasant au fur et à mesureque l'on s'éloigne de la pièce de distribution, sur au moins une majorité de sa
longueur Z2. La pièce 9 est, par exemple, positionnée par rapport à la pièce de
distribution 4 à l'aide d'un doigt d'alignement connu de l'homme de métier. Les
canaux 12i ont notamment pour fonction de guider la rencontre d'un piston
liquide avec au moins une partie du fluide primaire, et de favoriser leur rencontre
30 et leur mélange. L'énergie de vitesse acquise dans le canal mélangeur 12i se
transforme en énergie de pression dans le diffuseur. La pièce 9 comporte aussi
des orifices Ai dont le nombre est, par exemple, égal à celui des orifices Ei, qui
permettent de transférer les jets provenant des canaux 12i à une conduite de
transfert.
La partie centrale de la pièce 9 peut se prolonger par une partie 9b tel
qu'un nez pénétrant dans la conduite de transfert située, par exemple, dans le
prolongement du canal 1 de manière à ce que le passage du mélange des
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fluides circulant dans les canaux 12i vers la conduite de transfert s'effectue en
évitant de perturber les écoulements.
La forme d'un canal 12i résulte par exemple d'une pièce 9 ayant, par
exemple, une paroi interne comprenant une partie 10, constituée d'une première
zone incurvée 10a suivie d'une seconde zone 10b ayant, par exemple une
longueur Z1 prolongée par une troisième zone 10c sensiblement inclinée par
rapport à l'axe de la conduite ayant, par exemple, une longueur Z2, une partie
centrale 11, par exemple cylindrique ou légèrement conique, comprenant des
zones incurvées 11a situées en vis-à-vis des zones incurvées 10a formant ainsi
10 un espace de rencontre entre un piston liquide et un fluide primaire, I'espace
étant situé après les orifices Ei. La première zone 11a de la partie 11 se
prolonge, par exemple, par une seconde zone 11b de longueur sensiblement
identique à la longueur Z1 et une troisième zone 11c prolongeant la seconde
zone 11b et ayant une longueur sensiblement égale à la longueur Z2.
L'angle d'ouverture obtenu en sortie d'un canal de mélange 12i tel que
défini ci-dessus est, par exemple, égal à 7.
Une autre possibilité de réalisation selon l'invention consiste à créer un
canal unique de mélange, tel un espace annulaire de mélange. La pièce
centrale 9 comporte, dans ce cas, une fente circulaire et elle est rendue solidaire
20 de la pièce de distribution 4, à l'aide de moyens tels que des bras dont la
dimension résulte d'un compromis permettant de minimiser les chocs du
mélange sur ces bras et la tenue aux pressions élevées du mélange formé par le
fluide moteur et le fluide polyphasique entraîné.
Différentes séquences de génération de pistons fluides peuvent être
envisagées. Afin de mieux comprendre la méthode selon l'invention les figures
1C et 1D, à titre illustratif et non limitatif, décrivent un exemple de cycle et la
géométrie des orifices Ei de la pièce de distribution associée.
3 0 La pièce de distribution comporte par exemple deux orifices E1 et E2 (Fig.
1D), positionnés, par exemple, à 180 I'un de l'autre, et ayant une géométrie
sensiblement identique. Les pistons fluides créés par l'obturation séquentielle
des orifices Ei ont de fait des longueurs sensiblement identiques.
La figure 1C montre sur deux axes temporels les trains de pistons fluides
P1 et P2 passant respectivement à travers les orifices E1 et E2.
La turbine étant en rotation le patin vient obturer, par exemple, I'orifice E2
laissant passer le fluide moteur à travers l'orifice E1, créant ainsi un premierpiston fluide P1, puis le mouvement de rotation continuant il obture l'orifice E1,
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créant ainsi le second piston fluide, la majorité du fluide moteur ne pouvant
passer que par l'orifice E2. Cette séquence de production des pistons fluides P1et P2 se répète au cours de la rotation de la turbine.
Le temps dt s'écoulant entre deux pistons fluides successifs, dépend
notamment de la vitesse de rotation de la turbine. Ainsi lorsque la vitesse de
rotation est uniforme, le temps dt séparant l'émission de deux pistons liquides
est sensiblement constant.
Si l'on choisit une vitesse de rotation variable au cours du temps, c'est-à-
dire pouvant s'accélérer ou se décélérer, alors les intervalles de temps dt
10séparant deux pistons peuvent etre complètement différents.
Il est possible aussi de faire varier la longueur I des pistons fluides, cette
dernière étant notamment fonction de la géométrie et de la taille des orifices Ei
situés sur la glace de distribution.
Le débit du fluide moteur est, de préférence, distribué vers les orifices Ei, demanière à minimiser les à coups. Un tel résultat est, par exemple atteint, en
choisissant un nombre d'orifices Ei constant, et des sections identiques pour les
orifices. La rotation du patin conserve les sections de passage des orifices Ei
2 0apparemment constantes. ~-
Le patin peut être de longueur unitaire, par exemple, ou formé par plusieurs
segments, ce dernier mode de réalisation permettant un équilibrage dynamique
du dispositif
Il est possible de déterminer pour chaque pièce de distribution, les courbes
caractéristiques de type classique telles que le gain de pression relatif M défini
par
p = Pref - PasP
Pmot- Pref
30en fonction du taux d'entraînement déterminé par le rapport N du débit
aspiré Qasp au débit moteur Qmot, le rendement énergétique p pour des
liquides (moteur et aspiré) étant alors égal à M~N.
Les pressions de refoulement Pref, d'aspiration Pasp, la pression du fluide
moteur Pmot, le débit moteur Qmot et le débit aspiré Qasp sont, par exemple,
mesurés par des dispositifs appropriés connus des spécialistes.
Selon un mode avantageux de réalisation du dispositif (Fig.2) on utilise
comme pièce mobile une turbine à réaction.
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1 o
La pièce creuse statique 2 du dispositif se prolonge à une des extrémités
par une partie 13a comportant au moins un orifice Oi, le diamètre de la pièce
1 3a étant inférieur à celui de la pièce 2. La partie 13a sert, par exemple, d'axe
de rotation à une turbine à réaction 14, mobile par l'intermédiaire de paliers 15,
tels que des paliers fluide qui minimisent les frottements et l'usure des deux
pièces 13a et 14.
La turbine à réaction 14 comporte, par exemple, à une de ses extrémités un
patin 7 qui vient obturer de manière identique à celle décrite en relation avec la
figure 1 les orifices Ei d'une pièce de distribution 17, située de manière
10 sensiblement coaxiale à la pièce creuse statique 2, et maintenue par rapport à
cette dernière grâce à une pièce de liaison 5 qui assure de plus l'étanchéité
entre les pièces 2, 17 afin d'éviter la mise en contact du fluide primaire pouvant
comporter des impuretés avec la turbine 14.
Le dispositif est positionné dans la conduite 1 de façon telle que la partie
comportant la pièce de distribution 17 pénètre au moins en partie dans une
pièce 19 dont la paroi interne 19' est adaptée pour créer un passage Pr de
section inférieure à la section de la conduite 1, de préférence. Cette diminution
de section crée ainsi un effet d'aspiration qui favorise le mélange et le transfert
d'énergie entre les pistons liquides et le fluide primaire à transporter, avant son
2 0 transfert dans un divergent 33 formé par exemple par une pièce 34 située après
la pièce 19. Le rôle du divergent est, notamment de permettre la transformation
de l'énergie de vitesse étant ensuite transformée en énergie de pression.
La genération des pistons liquides s'effectue selon un principe
sensiblement identique à celui décrit en relation avec la figure 1.
LQ liquide moteur passe de l'intérieur de la pièce creuse statique 2 à
travers les orifices Oi dans une chambre annulaire 32, puis ressort par les
orifices 30 à travers des canaux 31. Le liquide moteur possède une puissance
suffisante pour que son passage à travers les orifices 31 génère un couple
moteur qui assure, notamment, la rotation de la turbine à réaction 14.
Sur la figure 2B, on a décrit une séquence possible de génération de
pistons liquides provenant des orifices Ei.
La pièce de distribution (Fig.2C) comporte par exemple 8 orifices E1,..
Ei,..Es répartis, par exemple, de manière uniforme les uns par rapport aux
autres, c'est-à-dire avec une distance les séparant sensiblement égale. Les
pistons liquides P1,...Pi,...P8, P1 générés lors du passage du fluide moteur à
travers ces orifices Ei sont envoyés, par exemple, par intermittence sous forme
séquentielle dans le temps, les uns après les autres. La distribution des pistons
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Iiquides résulte, notamment, de la fréquence d'envoi des pistons fluides et de la
répartition des orifices sur la pièce de distribution. Ainsi, les pistons liquides se
répartissènt dans l'ensemble de la conduite de façon à toucher le fluide primaire
pratiquement en totalité et à lui transférer une valeur d'énergie suffisante pour
permettre son transfert d'un endroit à un autre.
Comme il a été indiqué précédemment, I'intervalle de temps séparant les
pistons liquides est fonction, notamment de la vitesse de rotation de la turbine.
La longueur d'un piston liquide est défini, par exemple par la géométrie et
la taille des orifices Ei de la pièce de distribution, de manière identique aux
1 0 figures 1 A à 1 C.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on génère les pistons
liquide de la manière décrite ci-après. Le terme intermittent se rapporte plus
précisément dans ce cas à la manière dont les pistons liquides entrent en
contact avec un endroit donné du fluide primaire. Ainsi il est possible de générer
un premier piston liquide c'est-à-dire qu'il transmet de l'énergie à une partie du
fluide primaire situé par rapport à un endroit donné de la conduite, puis à une
deuxième partie de fluide située, par exemple, à proximité de la première partiedu fluide précédemment mise en contact avec le premier piston liquide, et ainsi
de suite jusqu'à ce que la majorité du fluide primaire à transporter circulant dans
20 la conduite soit mise en contact avec une succession de pistons liquides
permettant son transfert. Une partie du fluide primaire est ainsi mise en contact
par intermittence avec un piston liquide. On génère, de préférence, les pistons
liquides de façon suffisamment voisine dans l'espace pour que la majorité du
fluide primaire acquiert au moins une partie de l'énergie provenant du fluide
moteur et pour que la succession de ces pistons forment un piston fluide ayant
une forme sensiblement hélicoïdale (Fig.2E), qui progresse au fur et à mesure
dans la conduite en entraînant le fluide primaire.
Pour cela, la pièce de distribution comporte une fente circulaire qui est
obturée par exemple par un moyen telle qu'une pièce D comportant, un orifice F,
3 0 la surface de cette pièce et ses dimensions étant choisies pour laisser passer le
fluide moteur uniquement à travers cet orifice. Du fait de la rotation de la pièce
de distribution et de la fente unique, le passage du fluide moteur à travers
l'orifice 20 s'effectue, par exemple, sous forme d'une succession de pistons
liquides suffisamment rapprochés les uns des autres pour former un piston
liquide de forme hélicoTdale.
Un tel piston remplace avantageusement les pales hélicoïdales
mécaniques des dispositifs de pompage habituels en remplissant une fonction
2153190
1 2
sensiblement identique, par exemple il remplace les pompes à vis de type vis
d'Archimède.
Dans cet exemple de réalisation, le piston liquide présente comme
avantage d'être en majorité sensiblement axial, et non rotatif. L'effet centrifuge
résultant de cette axialité, permet d'éviter la ségrégation du mélange composé
des fluides moteur et primaire, cette ségrégation résultant notamment de l'effetcentrifuge associé aux jets rotatifs créés par des pales tournantes. Un tel type de
comportement est semblable au comportement obtenu avec des pompes
volumétriques, à vis de type vis d'Archimède.
Afin de minimiser le frottement du patin sur la pièce ou glace de distribution
comportant les orifices et de diminuer l'énergie prélevée nécessaire à la mise en
rotation du patin, il est possible de diminuer les surfaces d'appui existant entre
l'axe de rotation de la turbine et les autres pièces. Le frottement direct entre le
patin d'obturation et la glace de distribution est éliminé par l'utilisation d'un pivot
axial pouvant comporter un moyen permettant de rattraper le jeu, ce pivot étant,par exemple autolubrifiant.
Les figures 3 et 4 décrites ci-après schématisent des variantes des
dispositifs décrits précédemment.
La figure 3 représente une variante du dispositif différant de la figure 1
notamment par la forme de la pièce statique 2 et, plus particulièrement son
extrémité, et de la pièce mobile 6.
La pièce statique 2 est ouverte à ses deux extrémités, la pièce en forme de
T de la figure 1 est remplacée par une ouverture 20 dans laquelle est inséré un
ensemble comportant notamment une turbine 21 semblable par exemple à celle
de la figure 1. On peut utiliser une turbine de type moulinet habituellement
utilisée pour les mesures débitmétriques effectuées sur des fluides dits "fluides
propres", tels que des liquides exempts de particules. L'ensemble est positionné3 0 dans l'espace formé par la pièce statique 2, la pièce de liaison et d'étanchéité 5
et la glace de distribution 4 (figure 1).
Cet ensemble comprend, par exemple, la turbine 21 comprenant une pièce
22 terminée à chacune de ses extrémités par une pointe, respectivement 23 et
24. La pointe 23 vient s'emboîter dans un emplacement prévu 23' de la pièce de
distribution 4 et la pièce 24 dans un emplacement 24' d'une pièce 25 solidaire
par exemple de la pièce creuse statique 2 par l'intermédiaire de moyens 26, telsque des bras de maintien. Le nombre des bras de maintien est, par exemple, au
nombre de trois. L'axe de la turbine 20 se situe par exemple sensiblement dans
~153130
1 3
I'axe de la pièce de distribution. La présence de pointes permettant la tenue et la
rotation de la turbine permettent de diminuer les couples et les frottements entre
pièces.
La pièce 25 comporte, par exemple, un moyen de rappel 27, tel un ressort
pour rattraper des jeux éventuels résultant de l'usure des pointes au cours du
temps.
De façon à diminuer notablement les frictions entre les différentes pièces,
un conduit 28 traverse, par exemple la pièce 25 et laisse passer au moins une
fraction du fluide moteur provenant de l'intérieur de la pièce creuse 2, cette
10 fraction de fluide formant ainsi un film lubrifiant entre la pointe 24 et sonlogement 24'. Il en est de même pour la pointe 23 qui peut être lubrifiée par laformation d'un film sur sa surface obtenu par le passage d'une partie au moins
du fluide moteur par un conduit 29.
La turbine 21 comporte une série de pales P, chacune de ces pales est, de
préférence, inclinée par rapport à l'axe de la turbine. La turbine de manière
identique à la figure 1 est munie au moins d'un moyen permettant d'obturer les
orifices Ei de la pièce de distribution 4, tel qu'un patin 7, positionné par rapport à
la pièce 4 de façon à minimiser le jeu entre la pièce de distribution et le patin. Le
faibie espace existant ainsi laisse passer la fraction de fluide moteur qui assure
2 0 ainsi la lubrification des deux pièces, et diminue les frottements.
La mise en rotation de la turbine s'effectue, par exemple, de manière
identique à celle décrite à la figure 1.
Selon un mode avantageux de réalisation schématisé à la figure 4, la
turbine à réaction 14 et le patin associé de la figure 2 sont remplacés par un
ensemble minimisant les forces de frottement conçu sur un principe identique à
celui décrit à la figure 3, c'est-à-dire ayant une forme minimisant les surfacesd'appui entre pièces.
Afin d'optimiser le passage du fluide moteur à travers les orifices Ei de la
3 0 pièce de distribution, la turbine 49 peut comporter un redresseur à pales
statiques 50 ayant notamment pour fonction de transformer de manière
avantageuse le fluide moteur en écoulement coaxial.
Le fluide moteur provenant de la pièce creuse statique attaque des pales
48 d'une turbine 49 positionnée autour de la pièce 22 et la met en rotation. La
vitesse de rotation de la turbine est choisie, par exemple, en fonction des angles
d'attaque et des angles de fuite des pales 48. Un redresseur à pales statiques
50 situé de manière sensiblement coaxiale à la turbine 49 permet de redresser
le fluide moteur le transformant en écoulement coaxial. Le fluide moteur arrive
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ainsi avec une direction sensiblement coaxiale à l'axe de la turbine au niveau
des orifices Ei, les chocs éventuel entre le fluide et la paroi des orifices et/ou de
la pièce de distribution étant ainsi minimisés. Le transfert du fluide moteur sous
la forme de jets au fluide primaire à pomper s'en trouve optimisé.
Dans cet exemple de réalisation, le conduit 29 (figure 2) peut être situé
selon l'axe de la pièce 22, par exemple sur toute la longueur de cette pièce et
être en communication avec le conduit 28.
Le fluide moteur est, par exemple, un liquide mis sous pression provenant
10 d'une source extérieure.
Selon un exemple avantageux de l'invention, le fluide moteur est, par
exemple, un fluide miscible au fluide à pomper. Pour un fluide à pomper ayant
une valeur de viscosité importante un tel mélange permet notamment de
diminuer cette viscosité et de favoriser le pompage et le transport d'un tel fluide
sur des distances importantes.
Le fluide peut aussi comporter des produits ou additifs, tels que des anti-
corrosifs, des inhibiteurs d'hydrates ou qui permettent la formation de dépôts,
des additifs d'anti-floculation ou de précipitation des fluides à pomper.
Ces produits sont bien connus, par exemple, des spécialistes du domaine
2 0 pétrolier.
Sans sortir du cadre de l'invention, ce fluide peut aussi être de l'huile ou de
l'eau provenant, par exemple, du gisement exploité.
Il peut aussi être constitué d'eau de mer.
Dans ces deux cas, les fluides sont prélevés à partir d'une source ou de la
mer à l'aide d'un dispositif non schématisé sur les figures et convoyé vers la
partie creuse statique à l'aide d'une conduite. Lorsque de tels fluides sont
utilisés, il est préférable de disposer en aval des orifices Oi laissant passer cette
eau vers la pièce mobile un dispositif permettant d'arrêter d'éventuelles
particules contenues dans une telle eau, tel qu'un filtre habituellement utilisé et
3 0 dont la taille est adapté pour arrêter les particules éventuellement incluses dans
le flulde.
Pour des fluides provenant de source dont la pression est insuffisante, il es
possible de positionner un dispositif élevant la pression de ces fluides pour les
amener à jouer le rôle d'un fluide moteur.
La forme des orifices de la pièce de distribution est choisie en fonction de la
longueur du piston liquide souhaité. Ainsi ces ouvertures peuvent être
circulaires, allongées ou en forme de fente.
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Afin de rester à puissance motrice moyenne constante, chaque diamètre
d'une duse est de préférence apposé à une pièce de distribution pour conserver
une vitesse instantanée de passage du liquide moteur dans la conduite d'arrivée
du fluide moteur.
La vitesse de rotation du dispositif séquentiel de création des jets, c'est-à-
dire la pièce de distribution, est, par exemple, comprise entre 0 et 3000 tours par
minute.
Le fluide moteur est, par exemple, éjecté avec un nombre de jets tel qu'il
favorise le rendement du dispositif.
La mise en contact du liquide moteur avec le patin favorise la formation
d'un film fluide sous le patin qui minimise le frottement entre la section obturée et
le patin. De cette façon, I'énergie nécessaire à la fonction d'obturation
séquentielle est faible.
La force d'appui entre la pièce mobile et les pièces de distribution et de
maintien peut aussi être réduite en utilisant des pales de turbine présentant unangle d'inclinaison choisi par rapport au jet interne.
Dans le cas des turbines à réaction, on incline les jets propulsifs, on peut
aussi utiliser des ailettes de contre réaction.
La mise en contact du liquide moteur avec le patin favorise la formation
d'un film fluide sous le patin qui minimise le frottement entre la section obturée et
le patin. De cette façon, I'énergie nécessaire à la fonction d'obturation
séquentielle est faible.
Cette force d'appui peut aussi être réduite en utilisant des pales de turbine
présentant un angle d'inclinaison choisi par rapport à la direction que possède
le fluide moteur provenant de l'intérieur de la pièce creuse statique.
Dans le cas des turbines à réaction, cela consiste à incliner des jets
propulsifs ou des ailettes de contre réaction.
3 0 La mise en rotation de la pièce mobile, telle que la turbine à action, réaction
ou tout type de turbine peut être pilotée par un dispositif, non représenté,
permettant de dériver au moins une partie du fluide moteur de préférence
directement vers les orifices de la pièce de distribution.
Les dispositifs décrits précédemment en relation avec les figures peuvent
être positionnées en extrémité d'un "Coil Tubing" qui est une technique de plus
en plus employée pour la production de puits verticaux ainsi que pour des drainshorizontaux.
