Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02204664 1997-07-31
1
SYS'1'$Nli hti POMPAGE PO~YPHASZQUE ET CEI~I'r'ItYITUGS
X.a. présente invention concerne un systame permettant de communiquer à un
fluide
potyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase
liquide, une
s valeur d'énergie ou de pression suffisante pour lc transfdrer d'un endroit à
un autre.
Le systènx selon l'invention est band sur un agencement et une adaptation
d'une
pompe de type hélicoaxiale (ou golyphasiquc) à une pompe centt~'ugo
peranettant de
béndücier d'un effet de synergie des efïecs obtenus pour chacun des 6l~tnents
pour
augtnattar la plage de fonctiontxment et le fonctionnement (gain cn énergie ou
rendement)
1t) des systémes de pon>page habituellement utilisés.
Ainsi, un tel système permet de pomper tout type d'offlucnt quelque soit la
valeur
du rapport gaz sur liquide (en abc~égd GLR) qu'ils peuvent présenter.
Lo terme pompe l~licoaxiale peut ~aus'si designer da pompes polyphasiques
adaptées au pompage des fluides con~pertant plusieurs phases ayant des natures
différentes.
15 La présente inveiztion trouve avantageusecr~ent son application, mais nvn
o~lustveme~, pour k pompage des puits pétroliers, où Pefituettt pétrolier
comporte au
mofrts une phase gaxeusc et une phase liquide (composée par exanipIe d'une
phase aqttettse
erlott d'une phase organique), et dveatuelloment des particules solides.
Selon l'art amériettr, Ie transfert d'tut ei~ent pétrolier du fonàs da puits
vbrs la
20 surface, est habituelt~nent réalisé it (aide dbne pompe de typo centrifuge
descettduc dans
un puits, habituagernont dénommée "pompe de fonds de puits". La plupart de ces
pompes
cotapotte pbuiewrs étages coi un impttlsout, ayant pour fonction de
ooaununiquer
aa $nide une do pr~n et une éttagle que, et un rasait dont le r8le est
de trausfornaer cette énergie cin&ique à grande vitesac en une de pression &
faible
25 vgesse, et de rai k fluide le plus produ de l'axe on de l'arbre da rotation
dc ta
I~~-
Un impulsera et un redrossour ou diffuseur formant un étage, et ainsi dans la
suite
de la description, k fume "61~e" ~ un ~ comportant un couple fotr~ par
un itnpttlsew' et etn diffuseur, ceci Quelque soit le type do pmnpe
ir~icnoxiala otr eattrifuge.
3o be la mamo façon, les angles a et ~ dé5nis ci-aprEs dans 1a description
sont
considétsés par rapport à un plan papandkulaire â Taxe de farbm de rotation.
Les pompas oa~ges présentent toutefois l'inoonvéxdent d'étre limit&s dans i~u
plage de fon~ionsxement. En effet, ces pott~pcs conviennent bien pour la
compression de
fluides essautiella~nt liquides, mais au-delà tic quelques pourrents de gaz
prdsents dans Je
3s fluide, elles n'assurent plus un transfiert optimum dé~egx au fluide.
Les systèinas de pompage do type teélivoa~cial prdsentent des earaccéristiques
adaptes pour cot~truniquer de l'énergie à un effluent comportant plusieurs
phases de
naaues dites. une phase ga~~e et une phase liquida mais n'offrent pas un gaist
de
CA 02204664 2005-12-12
2
pression par unité de longueur identique lorsque le fluide se présente sous
une forme
essentiellement liquide que celui que~l'on peut obtenir en utilisant une pompe
centrifuge.
L'objet de la présente invention consiste donc ~à pallier aux inconvénients
présentés
par chacun des éléments de type hélicoaxial ou centrifuge selon f art
antérieur, et à f aide
d'une adaptation et d'une disposition spécifiques de ces deux types d'éléments
d'obtenir un
système de pompage acceptant tout type de fluide et de plus présentant des
gains de
pression par unité de longueur supérieurs à ceux qui pourraient être escomptés
en utilisant
les dispositifs de l' art antérieur.
De plus, on élargit la gamme de fonctionnement du système de pompage et en
même temps on améliore la compression d'un fluide polyphasique.
Le système peut être utilisé pour le pompage de fonds de puits mais aussi pour
le
pompage de surface.
On rappelle que sous (expression "fluide polyphasique", on désigne un fluide
comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, pouvant
être une
phase aqueuse et une phase organique, par exemple, et éventuellement des
particules
solides, tels des grains de sable, de la boue. .
La présente invention a pour objet, un système permettant de comprir~r un
fluide
polyphasique comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase
liquide pour
le transférer d'un endroit à un autre. Il est caractérisé en ce qu'il comporte
en combinaison
au moins un couple d'éléments de pompage comportant : .
~ une premiêre pompe Pl, de type hélicoaxiale, adaptée à communiquer de
(énergie audit
fluide polyphasique et/ou à diminuer la proportion de la phase gazeuse
présente
initialement dans le fluide et/ou à mélanger lesdites phases gazeuse et
liquide, de manière
à obtenu en sortie de ladite première pompe P1 un premier fluide Fl ayant une
énergie
E 1~, ledit fluide Fl étant envoyé vers une seconde pompe P2,
~ une seconde pompe P2 de type centrifuge, ladite seconde pompe P2
étant disposée en aval de ladite première pompe P1, ladite seconde
pompe P2 permettant de communiquer audit premier fluide F1 issu de
ladite première pompe P1 une valeur de pression suffisante pour le
transférer d'un endroit à un autre, par exemple une source de production
vers un lieu de ramassage et/ou de traitement,
~ un élément d'adaptation présentant des caractéristiques choisies pour
adapter le fluide (F1) au second élément (P2), ledit élément d'adaptation
étant disposé entre la sortie dudit premier élément de pompage (P1) et
l'entrée dudit second élément de pompage (P2);
CA 02204664 2005-12-12
3
~ dans lequel ledit premier élément de pompage (P1 ) comprend plusieurs
étages, chacun des étages comprenant un impulseur et un redresseur,
ledit second élément de pompage (P2) comportant au moins une série
d'hydrauliques centrifuges comprenant un impulseur et un redresseur, et
en ce que ledit élément d'adaptation a des caractéristiques géométriques
considérées en entrée et en sortie dudit élément d'adaptation adaptées
pour optimiser le transfert du fluide (F1) vers le second élément de
pompage (P2); et
~ dans lequel un angle d'entrée (a) du premier fluide (F1) au élément
d'adaptation considéré par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe d'un
arbre de rotation est compris entre 10 et 30° et un angle de sortie
(~3) du
premier fluide (F1) de l'élément d'adaptation considéré par rapport au
plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre de rotation est sensiblement égal à
90°.
Selon un mode de réalisation, le système de pompage comporte un élément
disposé
entre la sortie de ladite première pompe P1 et l'entrée de ladite seconde
pompe P2 qui
présente des caractéristiques géométriques et dimensionnelles permettant
d'adapter
l'écoulement du fluide pour optimiser son transfert de la pompe hélicoaxiale
vers la pompe
centrifuge.
Les éléments de pompage ou pompes P1 et P2 peuvent être solidaires d'un même
arbre de rotation.
La pompe hélicoaxiale P 1 peut comporter plusieurs étages, chacun des étages
comportant un impulseur et un redrésseur, la pompe P2 peut comporter au moins
une série
d'hydrauliques centrifuges comprenant un impulseur et un redresseur. L'élément
permettant
d'adapter l'effluent a des caractéristiques géométriques, telles que les
angles d'entrée oc et
de sortie (3 etlou les valeurs des diamètres moyens d'écoulement (Di, De)
considérées en
entrée et en sortie dudit élément adaptées pour optimiser le transfert du
fluide Fl vers la
seconde pompe P2.
L'angle a est compris entre 10 et 30°, et l'angle j3 est
sensiblement égal
à 90°.
La présente invention à également pour objet un système de pompage
pour comprimer un fluide polyphasique comprenant au moins une phase
CA 02204664 2005-12-12
3a
gazeuse et au moins une phase liquide, le système comprenant en combinaison
au moins un couple d'éléments de pompage, caractérisé en ce qu'il comporte:
~ un premier élément de pompage (P1) de type hélicoaxial adapté à
communiquer de l'énergie audit fluide polyphasique ou à diminuer la
proportion de la phase gazeuse présente initialement dans le fluide ou à
mélanger lesdites phases gazeuse et liquide, de manière à obtenir en
sortie dudit premier élément de pompage (P1) un premier fluide (F1)
ayant une énergie (E1), ledit fluide (F1) étant envoyé vers un second
élément de pompage (P2);
~ un second élément de pompage (P2) de type centrifuge, ledit second
élément (P2) étant disposé en aval dudit premier élément de pompage
(P1), ledit second élément de pompage permettant de communiquer
audit premier fluide (F1 ) issu du premier élément de pompage une valeur
de pression suffisante pour le transférer d'un endroit à un autre;
~ un élément d'adaptation présentant des caractéristiques choisies pour
adapter le fluide (F1) au second élément (P2), ledit élément d'adaptation
étant disposé entre la sortie dudit premier élément de pompage (P1) et
l'entrée dudit second élément de pompage (P2);
~ dans lequel ledit premier élément de pompage (P1) comprend plusieurs
étages, chacun des étages comprenant un impulseur et un redresseur,
ledit second élément de pompage (P2) comportant au moins une série
d'hydrauliques centrifuges comprenant un impulseur et un redresseur, et
en ce que ledit élément d'adaptation a des caractéristiques géométriques
considérées en entrée et en sortie dudit ëlément d'adaptation adaptées
pour optimiser le transfert du fluide (F1) vers le second élément de
pompage (P2); et
~ dans lequel la valeur d'un rapport (Di/De) des diamètres moyens
d'écoulement est compris entre 1,8 et 2,5, Di étant le diamètre
CA 02204664 2005-12-12
3b
d'écoulement à l'entrée de l'élément d'adaptation, et De étant le diamètre
d'écoulement à la sortie de l'élément d'adaptation.
La valeur du rapport des diamètres moyens d'écoulement Di/De est par exemple
compris entre 1,8 et 2, S et de préférence voisin de 2.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément intermédiaire est formé
par un
élément redresseur disposé entre l'impulseur du dernier étage de Ia pompe Pl
et le premier
impulseur de la pompe P2.
Selon une variante de réalisation du système, l'arbre de rotation A est formé
par au
moins deux parties A1 et A2, une partie A1 de longueur L1 sensiblement égale à
la
longueur de la pompe hëlicoaxiale et une seconde partie AZ ayant une longueur
L2 qui
s~étend sensiblement sur toute la longueur de la pompe centrifuge P2, la
valeur dû diamètre
D1 de la partie A1 est supérieure à la valeur du diamètre D2.
La présente invention a aussi pour objet une système de pompage pour
comprimer un fluide polyphasique comprenant au moins une phase gazeuse et
au moins une phase liquide, le système comprenant en combinaison au moins
un couple d'éléments de pompage, caractérisé en ce qu'il comporte:
~ un premier élément de pompage (P1) de type hélicoaxial adapté à
communiquer de l'énergie audit fluide polyphasique ou à diminuer la
proportion de la phase gazeuse présente initialement dans le fluide ou à
mélanger lesdites phases gazeuse et liquide, de manière à obtenir en
sortie dudit premier élément de pompage (P1) un premier fluide (F1)
ayant une énergie (E1), ledit fluide (F1) étant envoyé vers un second
élément de pompage (P2);
~ un second élément de pompage (P2) de type centrifuge, ledit second
Élément (P2) étant disposé en aval dudit premier é!éme~t de pompage
(P1 ), ledit second élément de pompage permettant de communiquer
audit premier fluide (F1) issu du premier élément de pompage une valeur
de pression suffisante pour le transférer d'un endroit à un autre;
~ un élément d'adaptation présentant des caractéristiques choisies pour
adapter le fluide (F1) au second élément (P2), ledit élément d'adaptation
CA 02204664 2005-12-12
3c
étant disposé entre la sortie dudit premier élément de pompage (P1) et
l'entrée dudit second élément de pompage (P2);
~ dans lequel ledit premier élément de pompage (P1) comprend plusieurs
étages, chacun des étages comprenant un impulseur et un redresseur,
ledit second élément de pompage (P2) comportant au moins une série
d'hydrauliques centrifuges comprenant un impulseur et un redresseur, et
en ce que ledit élément d'adaptation a des caractéristiques géométriques
considérées en entrée et en sortie dudit élément d'adaptation adaptées
pour optimiser le transfert du fluide (F1) vers le second élément de
pompage (P2); et
~ dans lequel un arbre de rotation (A) comprend des moyens de
prélèvement d'au moins une partie du fluide haute pression et des
moyens de réinjection de ladite partie prélevée au niveau d'un ou de
plusieurs redresseurs dudit premier élément de pompage hélicoaxial
(P1), de façon à lubrifier le ou les paliers associés à un redresseur.
Avantageusement, l' arbre de rotation A peut comporter des moyens de
prélèvement
d'au moins une partie du fluide haute pression et des moyens de réinjection de
ladite partie
prélevée au niveau d'un ou de plusieurs redresseurs de la pompe hélicoaxiale
P1, de façon à
lubrifier le ou les paliers associés à un redresseur.
~s moyens de prélèvement et de réinjection comportent par exemple un tube
disposé
dans une cavité de l'arbre de rotation, ledit tube comportant des moyens de
passage
répartis pour lubrifier les paliers des redresseurs.
Le système selon (invention est particulièrement bien adapté pour être disposé
dans
un puits pétrolier, et permettre ainsi le transfert d'un fluide polyphasique
pétrolier du fonds
de puits vers la surface.
Le système peut, sans sortir de (invention être utilisé dans tout endroit où
il est
nécessaire de communiquer de (énergie à un fluide polyphasique pour assurer
son transfert
d'un endroit, tel une source vers un lieu de destination, de traitement ou de
ramassage.
D'autres avantages et caractéristiques de (invention apparaîtront mieux à la
lecture
de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le
cadre
d'applications nullement limitatives, à la compression ou pompage d'un
effluent
polyphasique de type pétrolier, comportant au moins une phase liquide, une
phase gazeuse
et éventuellement une phase solide, en se référant aux dessins annexés o~l
CA 02204664 1997-07-31
4
~ la figure 1 montre une utilisation particulière du système de pompage
disposé dans un
puits pétrolier, comportant au moins un couple formé par un élément de pompage
de
type hélicoaxial et un élément de pompage de type centrifuge,
~ les figures 2A et 2B représentent schématiquement la disposition des deux
éléments du
couple de la figure 1 disposés sur un même arbre de rotation et un détail de
l'élément
intermédiaire permettant L'adaptation de ces deux éléments de pompage,
~ la figure 3 représente les diamètres moyens d'écoulement dans l'élément
intermédiaire,
~ la figure 4 schématise un exemple de réalisation où l'arbre de rotation est
pourvu d'un
système de lubrification,
~ La figure 5 représente une variante du circuit de lubrification de la figure
4, et
~ la figure 6 montre une variante pouvant s'appliquer aux circuits de
lubrification des
figures 4 et 5.
Afin de mieux cerner l'invention et, à titre indicatif et nullement limitatif,
la
description qui suit décrit un système de pompage disposé dans un puits
pétrolier,
comportant au moins un couple formé par un élément de pompage Pl ou pompe de
type
hélicoaxiale et un élément de pompage P2 ou pompe centrifuge, les deux pompes
étant
disposées l'une par rapport à l'autre et reliées par un élément adaptateur de
manière à
assurer la remontée des effluents pétroliers du fond où se situe le puits vers
la surface.
La surface peut, bien entendu correspor<dre à 1a surface du sol marin dans le
cas
d'une production sous-marine, ou encore à la surface de la terre dans le cas
de production
terrestre.
La figure 1 décrit un exemple où le système de pompage 1 comporte une pompe
hélicoaxiale Pl associée à une pompe centrifuge P2, qui peut être descendu à
une côte
donnée dans un casing 2 de production. Un exemple d'agencement et de
disposition de
pompes est détaillé aux figures 2A et 2B. Le système de pompage 1 est, par
exemple,
suspendu à l'extrémité d'un tubing de production 3.
L'ensemble ainsi descendu dans le puits, en considérant un point 4
correspondant au
fond du puits, vers un point 5 correspondant à la surface vers laquelle on
cherche à
remonter l'effluent, comporte par exemple
~ un moteur électrique 6, assurant (entraînement du système de pompage l, le
moteur 6
étant de préférence situé du côté de l'admission de la pompe hélicoaxiale P1,
pour
faciliter le refroidissement du moteur, par le passage de l'effluent entrant
dans la pompe,
ce qui correspond à la partie inférieure de la pompe pour une utilisation
verticale du
système. Dans certains cas, il peut être préférable d'utiliser une turbine
hydraulique dont
le fluide peut être de l'eau de mer, un brut pétrolier ou encore un fluide
haute pression
disponible à partir d'une source extérieure,
CA 02204664 1997-07-31
~ un élément de connexion 7 réalisant la connexion électrique par
l'intermédiaire d'un
câble électrique 8 qui remonte vers la surface et qui est relié à un
dispositif 13, tel
qu'une armoire de commande distribuant l'énergie nécessaire au fonctionnement
de
l'ensemble du système. Le câble peut aussi permettre la remontée
d'informations
5 provenant du fond du puits en le reliant à un dispositif adapté,
~ l'élément de connexion 7 a aussi pour fonction d'assurer l'étanchéité entre
le moteur
électrique qui est lubrifié par de l'huile, de manière à éviter la
transmission de (huile vers
le système de pompage 1,
~ un élément protecteur 9 disposé au-dessus de l'élément 7 assurant en
totalité l'étanchéité
t o du système de pompage,
~ un clapet anti-retour 10 et une vanne de purge 11, disposée du côté de
l'élément de type
centrifuge P2, en sortie de l'élément. Ces deux éléments étant bien connus de
L'homme
du métier ne seront pas détaillés.
Au niveau de la surface 5, une tête de tubing 12, spéciale et munie par
exemple de
joints d'étanchéité permet la sortie du câble électrique 8 à (extérieur et
vers (armoire de
commande 13.
Avantageusement, une duse réglable (non représentée sur la figure) permet
d'ajuster
le débit de (écoulement en augmentant ou en diminuant la contrepression sur le
système de
pompage.
La figure 2A montre schématiquement un exemple de réalisation où les deux
pompes P1 et P2 sont solidaires d'un même arbre de rotation A, et séparées par
un élément
intermédiaire schématisé et référencé par 20 ou élément adaptateur dont la
fonction est
d'assurer le transfert du fluide de la pompe hélicoaxiale vers la pompe
centrifuge.
Dans l'exemple de réalisation décrit à la figure 1, le fluide polyphasique
issu du
puits de production, est introduit en premier dans la pompe hélicoaxiale Pl,
puis passe à
travers la pompe centrifuge P2.
Sur la figure 2B, seuls les éléments spécifiques ou nécessaires à la
compréhension
de l' invention ont été mentionnés, par exemple les éléments propres aux
pompes
centrifuges bien connues de l'Homme du métier n'ont pas été indiqués.
La figure 2B représente sur un demi schéma un exemple de réalisation du
système
de pompage qui comporte dans un même carter 21 la pompe P 1 de type
hélicoaxiale de
longueur Ll et la pompe P2 de type centrifuge de longueur L2. Le carter 21 est
de
préférence cylindrique pour être introduit plus facilement dans un puits. Ce
carter est
pourvu d'au moins un orifice d'admission 22 du fluide et un orifice
d'évacuation (non
représenté sur la figure pour des raisons de simplification), disposé à la
sortie du dispositif
de pompage de type centrifuge et qui communique avec un circuit d'écoulement
du fluide
permettant son transfert jusqu'à la surface 5.
CA 02204664 1997-07-31
6
Dans l'exemple illustré sur cette figure, les orifices d'admission 22 sont
constitués
par exemple par des lumières protégées dans la paroi du carter 21 et le
dispositif comporte
au moins au niveau de ces orifices un déflecteur 23 solidaire du carter 21
pour dévier le
fluide, et lui imprimer une vitesse ayant une direction sensiblement axiale
c'est-à-dire
parallèle à l' axe de la pompe.
Du fait de la transmission des efforts par rapport au moteur, il est
préférable
d'utiliser un arbre de rotation A comprenant plusieurs parties dont les
diamètres sont
différents et choisis en fonction du type de pompe (centrifuge, hélicoaxiale).
Ainsi, à
l'intérieur du carter 21 est placé l'arbre de rotation A comportant au moins
deux parties A1
et A2, ayant des diamètres respectifs ~ 1 et d~ 2.
La partie hélicoaxiale P 1 du système comporte par exemple plusieurs étages de
compression i, dont un étage est appelé étage d'aspiration ou d'admission 24,
et un étage de
sortie 25. Le nombre de ces étages est choisi en fonction de l'énergie à
communiquer à
l'effluent de fond de puits jusqu'à la pompe de type centrifuge. Chaque étage
de
compression comporte par exemple un impulseur 26 et un redresseur 27, dont les
caractéristiques géométriques et les dimensions sont choisies et adaptées par
rapport à la
nature de (effluent polyphasique. L'impulseur 26 est solidaire de l'arbre
grâce à une
clavette 56 (figure 6) et le redresseur 27 solidaire du corps de pompe est
guidé par rapport
à l'arbre de rotation grâce à un palier 28 solidaire dont une partie est
solidaire de l'arbre de
rotation A1.
Les caractéristiques géométriques et dimensionnelles des hydrauliques
(impulseur et
redresseur) de la pompe hélicoaxiale P 1 sont par exemple semblables à celles
décrites dans
les brevets FR 2.333.139, FR 2.471.501 et FR 2.665.224 du demandeur. Elles
sont
adaptées notamment pour
~ diminuer la proportion de la phase gazeuse, et/ou
~ mélanger les différentes phases constituant (effluent, notamment la phase
gazeuse et la
phase liquide, pour que le faciès ou la structure de cet écoulement soit
compatible avec
l'élément de pompage centrifuge disposé en aval, et/ou
~ assurer une compression suffisante de (effluent au moins jusqu'à une
pression nécessaire
pour l'entrée de la pompe P2.
La partie P2 de type centrifilge, est par exemple une pompe centrifuge multi-
étages,
comprenant un nombre d'étages de compression dont le nombre est déterminé pour
obtenir
la hauteur de refoulement désirée et donc assurer la valeur de pression à
l'effluent F1 pour
permettre sa compression et sa remontée jusqu'à la surface. Cette pompe est
pourvue d'un
orifice de sortie communiquant avec la conduite permettant la remontée de
l'effluent
jusqu'à la surface.
Entre ces deux éléments P1 et P2 se trouve disposé un élément intermédiaire 20
dont la fonction est d'adapter les caractéristiques du fluide notamment sa
direction
CA 02204664 1997-07-31
7
d'écoulement, son diamètre d'écoulement et tout autre paramètre nécessaire à
l'élément de
pompage centrifuge P2.
Afin d'obtenir un effet de synergie optimal entre les deux éléments P1 et P2,
l'élément intermédiaire présente des caractéristiques spécifiques géométriques
et
dimensionnelles décrites ci-après. Dans l'exemple de réalisation décrit à la
figure 2B,
l'élément intermédiaire est formé par le redresseur 29 disposé après
fimpulseur 26 du
dernier étage 25 de 1 a pompe P 1.
La figure 3 rappelle schématiquement la définition du diamètre moyen
d'écoulement
l0 d'un fluide dans des dispositifs de compression, bien connu de l'homme du
métier, pour le
redresseur 29 où la référence Di désigne le diamètre moyen de l'écoulement à
l'entrée du
redresseur 29 et De le diamètre moyen de l'écoulement considéré en sortie.
Sur cette figure, on a aussi rappelé les diamètres moyens d'écoulement déimis
pour
des pompes centrifuge et hélicoaxiale. Les différents éléments sont référencés
de la manière
suivante
~ pour la pompe hélicoaxiale les valeurs des diamètres donnés respectivement
pour
l'entrée et la sortie sont référencées par D1 et D2, et
~ pour la pompe centrifuge par D3 et D4.
Ainsi, le redresseur 29 situé après l'impulseur 26 du dernier étage 25
présente pour
ses angles d'entrée et de sortie les caractéristiques suivantes
~ l'angle d'entrée a du redresseur, compté par rapport au plan perpendiculaire
à l'axe de
l'arbre A1 de rotation est compris entre 10 et 30°,
~ l'angle de sortie ~i pris par rapport au même plan varie dans une plage 90
+/- 10 ° et de
préférence est sensiblement égal à 90°.
La forme du canal d'écoulement C à l'intérieur de ce redresseur 29 est adaptée
pour
favoriser le changement de direction de l'écoulement du fluide de l'angle a à
l'angle (3, et
ainsi d'adapter la direction que possède le fluide en sortie de la pompe P1
pour (adapter
aux caractéristiques géométriques de l'entrée de la pompe P2 de façon à
obtenir la
meilleure compression à l'intérieur de la pompe P2 centrifuge.
Pour obtenir ce résultat, la valeur du rapport (Di/De) des diamètres moyens
d'écoulement Di et De de passage des fluides précédemment définis (figure 3),
et
considérés respectivement en entrée et en sortie du redresseur 29, est
comprise entre 1,8 et
2,5 et de préférence voisine de 2.
Le fluide entrant par les orifices 22 acquiert une certaine valeur d'énergie
par son
passage dans la pompe P l . En sortie du dernier impulseur 26 du dernier étage
25 de la
pompe P1, le fluide possède une énergie E1 supérieure à l'énergie Ep qu'il
possédait à
(admission 21 de la pompe P1, et une direction d'écoulement sensiblement
radiale. De plus,
CA 02204664 1997-07-31
8
du fait de la compression effectuée à l' intérieur la pompe hélicoaxiale P 1,
le rapport de la
phase gazeuse sur la phase liquide a diminué, la valeur de ce rapport GLR
étant telle qu'il
permet d'obtenir une compression efficace du fluide dans la pompe centrifuge
P2. Le fluide
présente aussi une meilleure homogénéité pour les phases liquide et gazeuse.
Il passe
ensuite à travers l'élément redresseur 29 qui permet de lui donner une
direction
d'écoulemént adaptée à l'entrée de la pompe P2, qui suit une direction
sensiblement axiale
voisine de l'arbre A2, et la plus proche de l'arbre.
Selon un autre mode de réalisation, l'élément d'adaptation peut être formé par
un
élément intermédiaire indépendant des éléments de pompage hélicoaxial et
centrifuge, qui
présente des caractéristiques sensiblement identiques à celles qui sont
décrites pour le
redresseur 29.
Une autre variante consiste par exemple à conserver les caractéristiques
géométriques habituelles pour le dernier redresseur du dernier étage à l'issu
duquel, la
direction d'écoulement du fluide est sensiblement axiale et à disposer entre
ce redresseur et
l'entrée de la pompe centrifuge P2, un élément qui a pour fonction principale
d'assurer la
transformation du diamètre d'écoulement Di à un diamètre d'écoulement De.
Dans tous les cas de réalisation et pour définir la géométrie et les
caractéristiques de
cet élément d'adaptation, la nature et le faciès de l'écoulement polyphasique,
l'écoulement
de type pétrolier issu du puits ou source peuvent être pris en compte.
Sur la figure 2B, on a aussi représenté les diamètres internes ~ 3 et ~ 4 des
corps
pour les deux éléments de pompage référencés respectivement ~ 3/2 et ~ 4/2.
Différentes variantes de choix pour les valeurs de ces diamètres sont
possibles. Par
exemple en choisissant un diamètre ~ 3 > fi 4, on favorise le débit du fluide
de la pompe
hélicoaxiale P1 vers la pompe centrifuge P2. On utilisera des valeurs de
diamètre
sensiblement identiques pour les deux éléments de pompage lorsque l'on
souhaite obtenix
un certain équilibre entre le débit et la pression. La valeur ~ 3 sera choisie
inférieure à ~ 4
pour favoriser le gain de pression obtenu par les étages centrifuges de la
pompe P 1.
On choisira de préférence une gamme pour les valeurs de vitesse de rotation
compatible pour les deux pompes de type hélicoaxiale et centrifuge. Par
exemple, lorsque
les deux pompes sont solidaires d'un même arbre, on choisira une vitesse de
rotation
variant dans l'intervalle compris entre 3000 et 5000 t/mn par exemple, de
préférence
voisine de 4500 t/mn. Dans certains cas, il sera possible d'augmenter cette
vitesse de
rotation jusqu'à environ 6000 t/mn.
CA 02204664 1997-07-31
9
Du fait des vitesses de rotation élevées, et de la proportion de gaz qui peut
se
révéler importante, par exemple au ri~oins égale à 40 % à l'entrée de la pompe
hélicoaxiale
P1, il s'avère nécessaire de lubrifier certains éléments du système et
notamment les paliers
28.
Pour cela, les figures 4, 5 et 6 schématisent plusieurs variantes de
réalisation, qui
utilisent le fluide Haute Pression comme agent de lubrification des paliers.
Au moins une partie du fluide haute pression peut être prélevé à partir d'un
étage
de compression, par exemple au niveau du dernier impulseur et être réinjecté à
un ou
plusieurs étages de rang inférieur en considérant l'entrée et la sortie de la
pompe P1.
Sur la figure 4, l'arbre A comporte sur la majorité de la longueur L1 de sa
partie Al
(au moins sur la partie de la pompe qui comporte les étages de compression),
un canal
creux 30 disposé sensiblement selon l'âxe de l'arbre. Le canal 30 est relié
par un conduit 31
disposé dans l'impulseur 26 (rang i+1) du dernier étage 25 de la pompe P1 et
qui permet le
passage d'au moins une partie du fluide ayant une pression F1 alors que la
partie restante
est envoyée vers le dispositif de pompage P2.
Le conduit central 30 est relié par un ou plusieurs conduits 32 qui débouchent
au
niveau des paliers 28 des redresseurs d'un ou plusieurs étages, par exemple
l'étage
d'admission 24 et l'étage de rang i sur la figure. Le fluide haute pression
permet ainsi la
lubrification de ces paliers.
La figure 5 représente schématiquement une variante de réalisation du
dispositif de
la figure 4 qui offre notamment comme avantage de moduler la valeur de
pression du fluide
jouant le rôle d'agent de lubrification. En effet, au lieu de renvoyer le
fluide haute pression
uniquement à partir de la sortie de la pompe Pl, vers les différents étages du
système, on
dispose un ou plusieurs petits circuits qui permettent de prélever le fluide
haute pression à
un étage i+1, par exemple pour le renvoyer vers l'étage de rang i, ou encore
un autre étage,
sachant que l'étage à partir duquel le fluide est prélevé, est un étage de
compression de
rang plus élevé.
Les circuits de prélèvement et de réinjection comportent un conduit 40 relié à
un
impulseur 26 d'un étage de rang i et à un conduit 41 sensiblement parallèle à
l'axe de
l'arbre, le conduit 41 étant lui-même relié par un conduit 42 qui débouche au
niveau d'un
pallier 28 d'un redresseur 27 d'un rang inférieur i-1 ou i-x, x >l.
Le ou les circuits peuvent être répartis sensiblement le long de la partie P]
du
système de pompage. Les étages situés au voisinage de l'étage d'admission
étant ceux qui
voient un effluent dont la valeur de GLR est la plus élevée, l'effluent en
entrée ayant un
taux de gaz plus élevé que l'effluent en sortie du dispositif de pompage du
fait de la
compression réalisée à l'intérieur, le nombre de circuits de lubrification
peut être plus élevé
dans la partie disposée au voisinage de l'entrée.
CA 02204664 1997-07-31
Selon un autre mode de réalisation décrit à la figure 6, le conduit creux
disposé au
centre de l'arbre, est remplacé par une conduit qui va être disposé dans un
emplacement 50
réalisé dans l'arbre.
5 Une telle manière de procéder permet avantageusement de simplifier la
réalisation
technologique de l'ensemble.
Pour cela, l'arbre A comporte par exemple une cavité 50 dont les dimensions
géométriques sont adaptées pour recevoir un tube 52 qui peut être d'une
longueur
sensiblement identique à la longueur de la partie de l'arbre A1 qui comporte
les étages de
10 compression. Ce tube 52 comporte un ou plusieurs oripces 53, 54 (non
représentés sur la
présente figure), les orifices de type 53 étant répartis le long de la partie
A 1 pour permettre
le passage du fluide haute pression d'un impulseur vers le tube 52 et ceux de
type 54 au
contraire du tube 52 vers un pallier 28 d'un redresseur à lubrifier. Le
pallier 28 comporte
des moyens permettant le passage du fluide utilisé comme agent de
lubrification vers le
redresseur.
Les orifices seront répartis en fonction des étages à lubrifier.
Selon un autre mode de réalisation il est possible, sans sortir du cadre de
l'invention, de concevoir des tronçons de tube de type 52 selon un principe de
distribution
du fluide lubrifiant décrit à la figure 5.
Les dispositifs de pompage de type hélicoaxial comportent au niveau de l'arbre
de
rotation une rainure 55 permettant de recevoir une clavette qui maintient
l'impulseur. Sans
sortir du cadre de l'invention, il est possible de faire jouer au tube 52,
décrit à la figure 5, le
rôle de la clavette.
