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La présente invention a pour objet un système de pompage
polyphasique à boucle de recyclage.
Le système de pompage selon l'invention convient pour
assurer le transport par des canalisations, d'un fluide comportant
au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, dont
le rapport volumétrique de la phase gazeuse à la phase liquide
(désigné généralement par GLR), peut présenter de larges
variations.
Un tel système de pompage trouve des applications
notamment dans le domaine de la production pétrolière où il
s'agit de transporter jusqu'à un lieu de destination déterminé, des
effluents pétroliers extraits d'un gisement souterrain, et en
particulier pour l'exploitation de gisements dits offshore.
Les systèmes de pompage polyphasique existants
comportent une pompe polyphasique telle par exemple que celle
décrite dans le brevet FR 2.665.224 déposé par le demandeur,
capable d'appliquer à un fluide polyphasique, une pression
importante tant que le rapport volumétrique GLR ne dépasse pas
une valeur maximale déterminée. Quand le rapport GLR du fluide
2 0 à transporter est susceptible de dépasser cette valeur maximale,
comme cela se produit dans l'exploitation pétrolière quand le
fluide produit par un puits de production comporte des poches ou
bouchons de gaz, on associe à la pompe des moyens de régulation.
Ces moyens de régulation sont adaptés à restreindre la plage de
variation possible du rapport GLR pour le rendre compatible avec
celui admis par la pompe.
Un moyen de régulation connu décrit par exemple dans les
demandes de brevet français EN 91/16.230 et 92/05.617
comporte par exemple un ballon tampon recevant les fluides
3 0 produits par le gisement et pourvu d'un ou plusieurs tubes de
prélèvement perforés capables automatiquement de doser le
rapport des phases admis à l'entrée de la pompe.
Un tel agencement donne des résultats satisfaisants mais il
a l'inconvénient d'être volumineux et relativement cher.
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Par le brevet FR 2.417.057, on connaît un système de
pompage à boucle de régulation. La sortie de la pompe est
connectée à un dispositif de séparation de phase adapté à
extraire du fluide polyphasique, une fraction constituée presque
complètement de liquide. Cette fraction liquide est recyclée par
une conduite de dérivation, vers l'entrée de la pompe où elle sert
à faire baisser la valeur du rapport GLR quand il devient excessif.
Le système de pompage à boucle de recyclage selon
l'invention permet de communiquer à des effluents
polyphasiques issu d'une source et comportant au moins une
phase liquide et au moins une phase gazeuse et dont le rapport
volumétrique GLR des phases gazeuses aux phases liquides est
susceptible de varier, une augmentation de pression suffisante
pour leur acheminement vers un lieu de destination déterminé.
Le système de pompage comporte une pompe polyphasique et
une boucle de recyclage et il est caractérisé en ce qu'il comporte
en combinaison un moyen de dérivation pour dériver
directement via la boucle de recyclage, une partie du fluide
polyphasique disponible à la sortie de la pompe vers l'entrée de
2 0 celle-ci et des moyens de contrôle du fluide polyphasique dérivé
dans la boucle, de façon à diminuer le débit du fluide transporté
par la conduite et à augmenter la vitesse de fonctionnement
possible de ladite pompe.
Suivant un mode de réalisation préféré, le moyen de
dérivation est un élément conformé pour répartir les phases
liquides des effluents polyphasiques qu'on lui applique plus vers
une première sortie que vers une seconde sortie (par exemple en
forme de T ou de Y), cette première sortie plus riche en phases
liquides étant connectée à la boucle de recyclage de façon à
3 0 diminuer dans une certaine mesure le rapport GLR du fluide
polyphasique recyclé à l'entrée de la pompe et faciliter le
fonctionnement de celle-ci.
Les moyens de contrôle peuvent comporter par exemple
une vanne, un ballon-tampon ou un élément d'utilisation d'une
partie de l'énergie des effluents polyphasiques dérivés.
CA 02158247 2005-07-22
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Le système de pompage peut comporter aussi un ensemble
de commande des moyens de contrôle, pour appliquer une
régulation en fonction des conditions de pompage.
Le système de pompage selon l'invention, par un recyclage
partiel d'une partie des effluents polyphasiques issus d'une
pompe, permet à celle-ci de mieux prendre en charge des
effluents dont le rapport volumétrique GLR est relativement
élevé. Par les possibilités de régulation du recyclage, il offre une
plus grande souplesse dans la conduite des manoeuvres
effectuées en amont et en aval. En outre, sa mise en oeuvre ne
nécessite aucun séparateur de phase relativement encombrant et
coûte~ix.
Plus particulièrement, la présente invention vise un système de
pompage à boucle de recyclage pour communiquer à un fluide polyphasique
issu d'une source et comportant au moins une phase liquide et au moins une
phase gazeuse, et dont le rapport volumétrique GLR des phases gazeuses aux
phases liquides est susceptible de varier, une augmentation de pression
suffisante pour son acheminement par une conduite vers un lieu de destination
déterminé, comportant une pompe polyphasique une boucle de recyclage d'une
partie du fluide de polyphasique disponible à la sortie de la pompe vers
l'entrée
de celle-ci, et des moyens de contrôle du fluide polyphasique dérivé dans ia
boucle, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour diminuer le rapport
volumétrique GLR du fluide recyclé vers l'entrée de la pompe comprenant
- un embranchement répartiteur de flux de type passif pourvu d'une entrée
reliée à la sortie de la pompe, d'une première sortie reliée à la boucle de
recyclage et d'une deuxième sortie reliée à ladite conduite d'acheminement,
cet
embranchement étant conformé pour répartir la phase liquide du fluide
polyphasique qu'on lui applique plus vers la première des deux sorties que
vers
la deuxième sortie, de façon à diminuer le rapport volumétrique GLR du fluide
polyphasique recyclé vers l'entrée de (a pompe,
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- une vanne de commande du débit de fluide avec un rapport volumétrique
GLR abaissé dans la boucle de recyclage; et
- un processeur de commande de la vanne adapté à modifier le débit
recyclé en fonction des variations des conditions de pompage.
D'autres caractéristiques et avantages du système selon
l'invéntion apparaîtront mieux à la lecture de la description
ci-après de modes de réalisation décrits à titre d'exemples non
limitatifs, en se référant aux dessins annexés où
- la Fig.l montre schématiquement un mode de réalisation du
système de pompage;
- la Fig 2 montre schématiquement une variante du mode de
réalisation précédent;
- la Fig.3 montre un premier diagramme de fonctionnement
d'une pompe en l'absence de recyclage;
- la Fig.4 montre sur un diagramme analogue, l'effet d'un
recyclage polyphasique sur le fonctionnement de la pompe
précédente; et
- la Fig 5 montre un diagramme de fonctionnement d'une' pompe
où l'on recycle uniquement une phase liquide.
Le système de pompage selon l'invention comporte une
pompe polyphasique 1 d'un type connu, telle que la pompe
décrite dans le brevet FR 2.665.224 précité, associée à un moteur
d'entraînement 2. L'entrée de la pompe 1 est connectée par une
canalisation 3, â une source de fluides polyphasiques. Cette
source est par exemple un puits ,de production pétrolière qui
produit des effluents liquides : huile et eau, et des effluents
gazeux. La pompe 1 est adaptée à appliquer aux effluents une
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augmentation de pression OP suffisante pour les acheminer vers
un lieu de destination tant que le rapport volumétrique du gaz au
liquide ou GLR est maintenu dans. une certaine fourchette de
variation définie. Sur la canalisation 4 de sortie de la pompe 1, on
intercale un élément de dérivation 5 permettant de diviser en
deux parties le flux polyphasique issu de la pompe 1. De
préférence, on utilise un embranchement en forme de T d'un
type connu et l'on connecte sa branche coudée 51 à une
canalisation 6 d'acheminement vers le lieu de destination. La
branche rectiligne 52 du T est connectée à une première
extrémité à la canalisation 4. Un circuit ou boucle de recyclage 7
pourvu d'une vanne de contrôle 8, est connecté à une première
extrémité, à la branche rectiligne 52 du T et, à son extrémité
opposée, à la canalisation d'entrée de la pompe par
l'intermédiaire d'un organe de mixage 9 d'un type connu tel
qu'un éjecteur mélangeur qui permet d'utiliser une partie de
l'énergie des effluents recyclés pour favoriser leur mélange avec
ceux issus de la canalisation 3, du type par exemple de celui
décrit dans le brevet CH 680463. La vanne de contrôle 8 est
2 0 commandée par un processeur 10 adapté à modifier le débit
recyclé en fonction des variations des conditions de pompage.
I1 est connu des spécialistes, notamment par un article de
G.E McCreery et al dans INT. J. MULTIPHASE FLOW vol. 16 No. 3
p. 429-445, qu'un diviseur en forme de T ou de Y divise
inégalement un flux qui lui est appliqué et que le rapport GLR de
la fraction dérivée par la branche rectiligne 52 est abaissé.
Dans ces conditions, l'utilisation d'un tel élément de
fractionnement a pour effet d'abaisser le rapport GLR des
effluents polyphasiques recyclés par le circuit 7 et par
3 0 conséquent d'abaisser également le rapport GLR des effluents
pénétrant dans la pompe 1. Il en résulte une amélioration du
fonctionnement de la pompe particulièrement utile quand le
rapport GLR des effluents débités par le puits est élevé. Comme,
on peut le voir en comparant les diagrammes des Fig.3 et 4, un
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s
tel recyclage polyphasique améliore et régularise très
sensiblement les conditions de pompage.
Le diagramme de la Fig.3 correspond à celui d'une pompe
polyphasique hélico-axiale POSEIDON de type P 300 par exemple
telle que celle décrite dans le brevet FR 2 665 224 précité, en
l'absence de tout recyclage. I1 montre le domaine de variation
possible de l'élévation de pression OP (en MPa) appliquée par la
pompe en fonction du débit D à l'aspiration pour différentes
vitesses de rotation. La pression à l'aspiration est de 1,5 MPa. Le
rapport volumétrique GLR des effluents aspirés est de 8. On voit
que l'on obtient (au point a) une augmentation de pression ~P de
0,8 MPa à la vitesse de 4500 t/mn environ pour un débit
polyphasique de l'ordre de 310 m3/h, et que pour un tel débit, la
marge d'augmentation de pression restante disponible serait
pratiquement nulle.
Le diagramme de la Fig.4 montre que le recyclage direct
d'une partie des effluents délivrés par la pompe permet, pour
une augmentation de pression ~ P de 0,75 MPa, de pousser son
débit horaire à 400 m3/h à une vitesse de rotation de 4500 t/m
2 0 (point b I ) et du même coup, d'élargir dans de notables
proportions, l'augmentation de pression ~P que la pompe est en
mesure d'appliquer aux effluents aspirés si l'on augmente sa
vitesse d'entrainement. On voit que cette augmentation de
pression dans le cas considéré peut atteindre 1,_55 MPa environ à
une vitesse . de rotation de 5200 t/m. L'utilisation d'un
embranchement diviseur 5 capable par construction de détourner
vers le circuit de recyclage une fraction polyphasique dont le
rapport GLR est abaissé conduit dans le cas illustré par le
diagramme de la Fig.4 à abaisser à 6 la valeur du rapport GLR des
3 0 effluents à l'aspiration.
Avec la pompe indiquée ci-dessus dans un cas où la
pression d'aspiration était de I,5 MPa et le rapport GLRo des
effluents issus de la source était de 8, on a déterminé la valeur
GLR que prenait ce même rapport à l'entrée de la pompe en
tenant compte d'un recyclage qui varie selon la proportion de gaz
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dans les effluents recyclés. Avec 1 et g désignant respectivement
la proportion de liquide recyclée et la proportion de gaz recyclés,
on a pu établir le tableau comparatif suivant
1= 0,2 g = 0 GLR = 6,4
g=0,1 GLR=7,11
I= 0,3 g = 0 GLR = 5,6
g= 0,15 GLR = 6,59
1 = 0,4 g = 0 GLR = 4,8
g = 0,2 GLR = 6.
Dans les exemples ci-dessus, la valeur g = 0 correspond au
cas où l'on dispose un séparateur en aval de la pompe pour ôter
pratiquement tout le gaz des effluents recyclés, comme décrit
dans le brevet FR 2.417.057 précité. On voit sur ces exemples
qu'en effectuant un recyclage polyphasique direct et en utilisant
simplement un élément de dérivation 5 du type T par exemple
qui posséde des propriétés de séparation partielle sélective, on
parvient à obtenir une diminution du rapport GLR un peu
inférieure certes mais cependant du même ordre de grandeur à
celui auquel on parvient par interposition d'un séparateur
2 0 classique relativement encombrant et onéreux. Qui plus est, on
voit en comparant les Fig 4 et 5, que le gain de pression rendu
possible dans le cas d'un recyclage polyphasique et celui d'un
recyclage purement liquide sont tout à fait équivalents.
Le processeur 10 est utilisé pour contrôler l'ouverture de la
vanne 8 en fonction des valeurs des coefficients a, b et du débit
total Q du puits par exemple.
On observe dans la pratique que l'augmentation de pression
OP que la pompe est capable d'appliquer du fait du déplacement
de son point de fonctionnement, modifie peu la pression des
3 0 effluents dans le circuit d'acheminement 6 en aval de la pompe.
Il en résulte un abaissement corrélatif de la pression d'aspiration
Pa, ce qui a pour effet en général d'augmenter le débit de la
source.
L'installation de cette boucle de recyclage rend possible, on
l'a vu, une augmentation de la fourchette de variation du rapport
~~~~'~~'~
GLR des effluents qu'une pompe polyphasique peut accepter, et
aussi une extension de la marge de variation possible de
l'augmentation de pression 0P communiquée par la pompe. On
peut noter aussi que la présence de cette boucle de recyclage et
de la vanne de régulation 8 contribue également à donner une
grande souplesse au système de pompage. La réinjection sous
pression du fluide recyclé contribue à homogénéiser les effluents
à l'entrée de la pompe 1. Le recyclage d'une fraction des effluents
permet à la pompe de fonctionner correctement même avec des
sources de débit réduit, ce qui est particulièrement avantageux
en production pétrolière quand les puits sont en voie
d'épuisement. La variation du taux de recyclage obtenu par
commande de la vanne 8 permet de rendre plus progressif le
démarrage et le fonctionnement de la pompe notamment en cas
de fermeture inopinée du puits à l'amont ou de vannes en aval.
La présence de la boucle élargit les possibilités d'intervention des
opérateurs qui, sans recyclage ne peuvent jouer que sur la
vitesse d'entrainement de la pompe.
Dans le mode de réalisation qui a été décrit, la boucle de
2 0 recyclage ne comporte qu'une vanne de régulation intercalée. On
ne sortirait toutefois pas de l'invention en y intercalant
également un ballon-tampon 11 (Fig 2) pour augmenter les
possibilités de régulation du recyclage effectué. On peut
également interposer un dispositif tel qu'un éjecteur annulaire
capable de réutiliser une partie de l'énergie du fluide recyclé
pour l'injecter en amont de la pompe.
Pour dériver les effluents polyphasiques, on utilise de
préférence un moyen de dérivation avec un pouvoir séparateur
des phases, de façon à diminuer le rapport volumétrique GLR des
3 0 effluents recyclés. On ne sortirait pas du cadre de l'invention
toutefois en remplaçant ce moyen de dérivation particulier par
un embranchement non sélectif. Dans ce cas, on profite de la plus
grande souplesse de fonctionnement qu'offre un dosage de la
fraction recyclée. Comme le montre la Fig 4 où un point de
~.~8~4~'d
s
fonctionnement ml est déplacé en m2 par recyclage puis en m3
par une augmentation de la vitesse d'entrainement de la pompe.
