CA 02252022 1998-11-18
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DISPOSITIF ET PROCEDE DE COMPRESSION DIPHASIQUE D'UN GAZ SOLUBLE DANS
UN SOLVANT
La présente invention concerne un procédé et un système pour communiquer de
l'énergie à plusieurs fluides et simultanément pour réaliser leur mélange, un
des fluides étant
miscible dans le ou les autres fluides.
L'invention trouve notamment son application pour des fluides qui se
présentent sous
une forme essentiellement gazeuse et qui sont miscibles ou solubles dans un
fluide
essentiellement liquide.
La présente invention permet notamment, au travers d'une même machine, à la
fois la
compression d'un gaz acide et d'une eau de formation provenant d'un gisement
pétrolier, et
leur mélange sous une forme essentiellement liquide, les gaz acides étant
particulièrement
solubles dans l'eau de formation. Le mélange liquide obtenu peut être envoyé
vers une zone
de stockage ou encore réinjecté dans un puits de production ou une nappe
aquifère.
L'invention s'applique en particulier au traitement d'un gaz naturel contenant
des gaz
acides, dioxyde de carbone et/ou hydrogène sulfuré qui sont généralement au
moins en
partie séparés du gaz naturel. Lorsqu'ils se présentent en faible quantité,
ces gaz acides
séparés peuvent être rejetés directement ou après incinération dans
l'atmosphère. Toutefois,
les normes pour lutter contre la pollution étant de plus en plus
contraignantes, ces rejets
dans l'atmosphère sont de moins en moins tolérés, et il devient nécessaire de
trouver
d'autres solutions faciles à mettre en oeuvre, respectant ces nouvelles
normes, et ceci avec
un minimum d'investissements.
L'art antérieur décrit diverses solutions pour éliminer les gaz acides.
Une solution consiste à injecter individuellement les gaz acides dans un
gisement en
utilisant des compresseurs centrifuges ou alternatifs.
Une autre manière de procéder consiste à injecter les gaz acides avec un autre
fluide,
par exemple de l'eau de formation disponible au niveau du gisement. Cette
solution présente
notamment comme avantage d'éliminer simultanément les gaz acides et l'eau de
formation
considérés comme deux polluants.
Le procédé de réinjection d'eau de formation et de gaz acides de la société
Pan
Canadian Limited, dont les étapes essentielles sont résumées ci-après et
décrites à la figure
1, est basé sur ce principe.
Le fluide issu des puits de production, est séparé en une phase huile qui est
récupérée,
une phase aqueuse et une phase gazeuse circulant respectivement dans des
conduits 1 et
2. La phase aqueuse est stockée dans des réservoirs atmosphériques 3, alors
que la phase
gazeuse comportant les gaz acides est traitée dans une unité 4 aux amines de
manière à
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obtenir un gaz, sans composants acides, et un gaz à forte teneur en composants
acides à
une pression voisine de la pression atmosphérique. La fraction gazeuse riche
en gaz acides
est envoyée vers un compresseur 5, et l'eau de formation est envoyée vers une
pompe
monophasique 6. Le gaz et l'eau de formation ayant séparément acquis un niveau
de
pression donné, sont ensuite mélangés dans un mélangeur 7. Le mélange est
réalisé à une
pression élevée pour faciliter la dissolution des gaz dans l'eau, la quantité
de gaz acides
dissoute augmentant avec le niveau de pression. Ce mélange se présentant sous
une forme
liquide, est alors réinjecté par exemple dans un réservoir souterrain à l'aide
d'une pompe
monophasique 8 adaptée à pomper des fluides monophasiques liquides. En amont
de la
pompe haute pression le gaz doit être non seulement entièrement dissous dans
le liquide,
mais le NPSHA (Hauteur disponible par rapport à la tension de vapeur du gaz)
doit ëtre
supérieur au NPSHR (Hauteur requise à l'entrée de la pompe par rapport à la
tension de
vapeur).
Dans le cas d'applications à pression de réinjection élevée et pour des
fluides de
production à forte teneur en gaz, le mélange d'eau et de gaz est effectué par
étapes
successives et séparées de pompage, de compression et de mélange.
Ce procédé nécessite un équipement qui présente l'inconvénient d'être lourd et
coûteux,
utilisant à la fois des compresseurs et des pompes monophasiques, ainsi que de
nombreux
échangeurs de chaleur. De plus, la dissolution des gaz acides dans l'eau
n'étant pas
instantanée, il est nécessaire d'utiliser des mélangeurs statiques ou
dynamiques afin
d'obtenir une parfaite dissolution du gaz dans le liquide en amont des pompes
monophasiques augmentant encore la complexité des matériels, le coût et
l'encombrement
d'un tel système.
La présente invention propose de remédier aux inconvénients de l'art
antérieur, en
adoptant une nouvelle approche qui permet notamment de minimiser le nombre
d'équipements habituellement utilisés.
Selon l'invention on utilise un dispositif de compression diphasique capable
de
communiquer de l'énergie à plusieurs fluides, au moins un des fluides étant
soluble dans au
moins un autre fluide, et aussi de réaliser simultanément le mélange des
fluides, de façon à
obtenir en sortie un fluide se présentant sous une forme essentiellement ou
complètement
liquide.
La présente invention a pour objet un procédé de traitement d'un
effluent pétrolier dans lequel on effectue les étapes suivantes:
a) on sépare un effluent pétrolier issu d'un puits pétrolier en une
phase huile, une phase aqueuse et une phase gazeuse,
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2a
b) on traite la phase gazeuse pour produire des gaz acides et un gaz
épuré en composés acides ;
caractérisé en ce que:
c) on rassemble la phase aqueuse de l'étape a) et les gaz acides
produits à l'étape b) pour obtenir un fluide diphasique ;
d) on comprime le fluide diphasique obtenu à l'étape c) avec un
dispositif de compression diphasique comportant au moins un étage de
compression diphasique comportant un impuiseur et un redresseur pour
dissoudre lesdits gaz acides dans la phase aqueuse et pour communiquer de
l'énergie au fluide diphasique et ainsi obtenir un fluide essentiellement
liquide.
La présente invention a pour objet un dispositif de compression diphasique
permettant de communiquer de l'énergie à plusieurs fluides, tel qu'un fluide
essentiellement liquide et une fluide essentiellement gazeux, au moins un des
fluides étant miscible dans au moins un autre fluide, et permettant
d'effectuer le
mélange desdits fluides.
Le dispositif de compression diphasique pour la mise en oruvre du procédé
mentionné ci-dessus comporte au moins un étage de compression diphasique
comportant un impulseur et un redresseur, et est caractérisé en ce que le
dispositif comporte un deuxième redresseur disposé en amont dudit étage de
compression diphasique et muni d'un élément percé de plusieurs canaux pour
introduire et diffuser un fluide tel que des gaz acides dans le dispositif de
compression diphasique, ledit étage de compression diphasique permettant de
réaliser l'étape d) dudit procédé.
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Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément de compression
diphasique adapté à réaliser le mélange des fluides essentiellement liquides
et
essentiellement gazeux et à communiquer à chacun d'eux une valeur d'énergie
donnée,.le
mélange issu dudit élément de compression diphasique étant sous une forme
liquide ou
essentiellement liquide et à un niveau de pression donné.
Selon un mode de réalisation le dispositif de compression diphasique peut
comporter
au moins un étage d'entrée et/ou au moins un étage de sortie, chacun desdits
étages
comprenant des hydrauliques adaptées au pompage d'un fluide essentiellement
liquide.
Le dispositif de compression peut être formé d'au moins deux sections, la
première
section permettant d'obtenir un mélange Mi ayant un niveau de pression Pi et
la seconde
section permettant d'obtenir à partir du mélange Mi un mélange Ms ayant un
niveau de
pression Ps, un conduit d'évacuation du mélange Mi et un conduit
d'introduction du fluide Mi
dans la seconde section, lesdites deux sections étant séparées par un
dispositif d'étanchéité
et les hydrauliques des deux sections étant montées dos à dos de manière à
minimiser
les efforts de poussée axiale.
Le dispositif de compression diphasique peut comporter un dispositif disposé
entre
deux étages de compression et adapté pour réaliser au moins le mélange du
fluide
essentiellement liquide et du fluide essentiellement gazeux, par exemple dans
le cas où ces
deux fluides sont introduits à des étages de rang différents.
Le dispositif de compression peut aussi comprendre une unité de traitement
et/ou de
mélange des fluides, ladite unité de traitement et/ou de mélange étant reliée
au dispositif de
compression par des conduits d'arrivée et d'évacuation des fluides, avant
traitement et après
traitement.
Dans certains cas de réalisation, l'unité de traitement comporte un moyen de
réfrigération inséré dans l'unité de traitement.
L'unité de traitement peut comporter un circuit de refroidissement d'au moins
urie
partie du mélange diphasique prélevé à partir du dispositif de compression
diphasique et/ou
d'une partie de la phase liquide issue du dispositif de compression
diphasique.
Le dispositif de compression comporte par exemple des moyens pour déterminer
des paramètres liés au fluide et/ou à son fonctionnement, des moyens de calcul
et de
traitement de données capables de modifier la vitesse de rotation du
dispositif de
compression diphasique et/ou d'agir sur l'efficacité du moyen de réfrigération
et/ou sur le
débit du fluide recyclé au niveau du circuit de refroidissement.
L'invention a aussi pour objet un procédé utilisé pour communiquer de
l'énergie à
plusieurs fluides, au moins un des fluides étant miscible dans au moins un
autre fluide, et
simultanément à réaliser le mélange de fluides, tel qu'un fluide
essentiellement gazeux et un
fluide essentiellement liquide.
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Il est caractérisé en ce que l'on envoie le fluide essentiellement gazeux et
le fluide
essentiellement liquide au moins vers un même dispositif de compression
diphasique adapté
à communiquer de l'énergie au moins à chacun des deux fluides et, à réaliser
le mélange
des deux fluides, pour obtenir en sortie un fluide essentiellement liquide à
une pression
donnée.
Selon le procédé on détermine par exemple la différence de pression entre les
fluides à mélanger avant leur introduction dans le dispositif de compression
diphasique, et
= si la valeur de cette différence est inférieure à une valeur fixée, on
envoie les deux fluides
à un même étage de compression diphasique du dispositif de compression,
= si la valeur de cette différence est supérieure à une valeur fixée, on
envoie le fluide de
plus basse pression à un étage du dispositif de compression de rang i et le
fluide de plus
haute pression à un étage de rang supérieur i+n, le nombre n étant déterminé
en fonction
de la différence de pression,
Le procédé peut comporter une étape de prélèvement d'au moins une partie du
mélange des fluides après passage dans un nombre d'étages m du dispositif de
compression diphasique, une étape de traitement de la partie prélevée et une
étape de
renvoi après traitement vers un étage du dispositif de compression de rang
supérieur au rang
de l'étage de prélèvement.
Il est aussi possible de réfrigérer le fluide et/ou un fluide tel qu'une
partie du mélange
diphasique prélevé ou au moins une partie de la phase liquide extraite du
mélange
diphasique prélevé ou au moins une partie du liquide issue du dispositif de
compression
diphasique, le fluide réfrigéré pouvant éventuellement être recyclé.
Il est aussi possible de réguler la vitesse de rotation du dispositif de
compression
et/ou de contrôler l'efficacité de l'étape de réfrigération et/ou de contrôler
le débit de fluide
recyclé.
L'invention s'applique particulièrement bien pour le transfert simultané de
gaz acides
et d'eau de formation vers un réservoir souterrain.
Ainsi la présente invention offre par rapport à l'art antérieur comme avantage
de
simplifier les dispositifs nécessaires pour réaliser la compression et le
mélange de plusieurs
fluides, par exemple au moins un fluide essentiellement gazeux et au moins un
fluide
essentiellement liquide miscibles l'un dans l'autre.
Le procédé selon l'invention peut s'appliquer dans tous les domaines où l'on
cherche à
communiquer de l'énergie simultanément à une phase gazeuse et à une phase
liquide, la
phase gazeuse étant soluble dans la phase liquide, les valeurs de pression des
phases
pouvant être différentes.
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D'autres avantages et caractéristiques de l'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, au transfert de gaz acides et d'eau de
formation, vers un
réservoir souterrain ou une nappe aquifère, en se référant aux dessins annexés
où :
5 => la figure 1 schématise le procédé de la société Pan Canadian selon l'art
antérieur,
=> la figure 2 montre un dispositif de compression diphasique adapté pour
mettre en ceuvre
le procédé selon l'invention,
la figure 3 schématise un exemple d'agencement d'étages de compression
diphasique,
les figures 4A et 4B représentent deux variantes de réalisation pour les
étages d'entrée et
de sortie du dispositif de pompage monophasique et de compression diphasique
combinés,
=> la figure 5 montre une autre variante pour le système de la figure 3,
~ les figures 6, 7 et 8 schématisent une variante du procédé adaptée à des
fluides de
différentes pressions et leur mode d'introduction dans le dispositif de
compression
diphasique,
~ la figure 9 schématise une variante de réalisation où il est possible
d'effectuer un
traitement du mélange des deux fluides au cours de l'opération de compression,
=> les figures 10A et 10B représentent deux dispositifs de recyclage du
liquide au travers de
l'unité de réfrigération,
la figure 11 représente une généralisation du principe selon l'invention
appliqué pour
plusieurs fluides liquides et gazeux présentant des valeurs de pression
différentes avant
l'entrée du dispositif, et
la figure 12 représente un schéma possible de régulation du dispositif de
compression.
De manière à mieux faire comprendre le dispositif selon l'invention, l'exemple
donné
ci-après à titre illustratif et nullement limitatif concerne le transport de
gaz acides et d'une eau
de formation, les gaz acides étant solubles dans l'eau de formation.
Le mélange et la dissolution des gaz acides dans l'eau de formation repose sur
des
phénomènes physiques que l'on va rappeler ci-après.
Dans les conditions d'équilibre, la dissolution d'un gaz acide dans de l'eau,
par
exemple de l'eau de formation, varie avec la pression et la température. Le
taux de
dissolution exprimé en unités de volume de gaz par unité de volume de liquide
dans les
conditions normales de pression et de température s'accroît respectivement
lorsque la
pression augmente et lorsque la température diminue.
La dissolution va s'effectuer progressivement en tenant compte du temps de
diffusion entre les phases, et l'approche vers une condition d'équilibre peut,
par conséquent,
être activée par une augmentation des surfaces de contact entre les gaz acides
et l'eau de
formation.
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Dans le cas d'une compression diphasique à l'aide d'une pompe de type
rotodynamique, l'atteinte des conditions d'équilibre sera facilitée par la
formation de bulles
ayant de faibles dimensions. Ces bulles se présentent à la jonction entre les
parties fixes et
les parties tournantes de la pompe, lieu où s'exercent de grandes forces de
cisaillement.
Cette approche vers l'équilibre est toutefois ralentie par la coalescence des
bulles
pouvant apparaître au niveau des impulseurs et/ou des redresseurs du
dispositif de
compression diphasique. Pour des performances sensiblement égales, (hauteur
manométrique et longueur axiale), on aura avantage à augmenter le nombre des
cellules de
compression (impulseurs et/ou redresseurs) et à diminuer leur longueur axiale,
de manière à
accroître le nombre de fois où la taille des bulles peut être réduite.
La figure 2 schématise un exemple de mise en ceuvre du procédé adapté lorsque
l'eau de formation et les gaz acides ont un niveau de pression voisin en
entrée du dispositif
de compression diphasique, la différence entre les niveaux de pression étant
suffisamment
faible pour permettre leur introduction dans un même étage.
Le dispositif de pompage 10 est relié par le conduit 11 au dispositif 12 qui
reçoit les
gaz acides issus d'une source référencée 13 par le conduit 14, et par le
conduit 16 l'eau de
formation stockée dans un réservoir référencé 15.
Les gaz acides peuvent provenir d'une unité de traitement telle que celle
décrite dans
les brevets du demandeur FR 2.605.241 et FR 2.616.087. En sortie de ces unités
de
traitement, les gaz acides possèdent une pression pouvant varier entre 0,5 et
1,5 MPa et une
température comprise entre -30 C et -10 C. Dans le cas d'unités de traitement
aux amines,
la valeur de pression est de l'ordre de 0,1 MPa et la température comprise
entre 10 et 40 C.
Le dispositif 12 est choisi pour favoriser la dispersion au moins partielle
des gaz
acides sous la forme de bulles dans le liquide ou au moins partielle du
liquide sous la forme
de gouttelettes dans le gaz .
Le dispositif de pompage ou de compression diphasique 10 est pourvu d'au moins
un conduit d'évacuation 17 du mélange essentiellement liquide. Le niveau de
pression de ce
mélange en sortie du dispositif de compression est suffisant pour assurer son
transfert vers
une nappe aquifère ou un réservoir souterrain référencé 18.
La valeur de pression initiale que possèdent les gaz acides et l'eau de
formation,
peut être mesurée par des capteurs de pression 19a, 19b disposés
respectivement en sortie
de l'unité de traitement 13 et du réservoir de stockage 15.
Le dispositif de compression diphasique 10 comporte au moins un étage de
pompage comprenant un impulseur et un redresseur référencés li et Ri sur les
figures
suivantes. Les hydrauliques des impuiseurs et des redresseurs présentent des
caractéristiques spécifiques, adaptées pour communiquer de l'énergie à un
fluide diphasique
comportant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, le
rapport des
débits volumiques de ces deux phases pouvant varier de 0 à l'infini, tels que
des impulseurs
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hélico-axiaux. L'agencement et les caractéristiques de ces hydrauliques sont
semblables à
celles décrites dans l'un des brevets du demandeur FR 2.333.139,
FR 2.471.501 et FR 2.665.224. Un tel dispositif permet aussi de dissoudre et
mélanger les
gaz acides dans l'eau de formation pour obtenir un mélange essentiellement
liquide ou
liquide.
Le nombre d'étages de compression utilisé sera fonction du niveau de pression
requis en sortie.
De préférence, on concevra le dispositif de compression diphasique en
utilisant des
impulseurs d'une longueur axiale inférieure à celle des impulseurs
habituellement utilisés
dans les dispositifs du demandeur prémentionnés ainsi qu'un plus grand nombre
d'impulseurs de façon à conserver une même performance globale (même pression
de
sortie pour une même longueur axiale totale). Comme il a été expliqué ci-
dessus, on
augmentera ainsi le nombre de fois où les poches de gaz et les macro-bulles
qui se sont
formées à l'intérieur d'un impulseur peuvent être réduites, à l'interface
entre les organes
tournants et statiques (impulseur-redresseur et redresseur-impuiseur), sous la
forme de
micro-bulles, d'un diamètre variant entre le micron et le millimètre.
Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible pour des raisons
technologiques de
réaliser le dispositif de compression en plusieurs corps de machine de
compression ou
pompage, chacun de ces corps étant constitué d'une ou de plusieurs sections et
chacune
des sections comportant un ou plusieurs étages de compression ou de pompage.
Un
exemple d'un tel dispositif en plusieurs corps est donné à la figure 11.
La figure 3 schématise un exemple de dispositif de compression 10 qui
comprend,
dans le cas présent, 4 étages de compression E, à E4 montés en ligne.
Chaque étage Ei du système comporte un impulseur li, suivi d'un redresseur Ri,
l'impulseur li étant solidaire de l'arbre de rotation 30, l'indice i désignant
le rang de l'étage de
compression diphasique, les étages étant disposés dans un carter 31.
Le dispositif de compression diphasique 10 comporte une ouverture 33
communiquant avec le conduit d'introduction des fluides 11 et une pièce
d'entrée 34
disposée en amont du premier impulseur Il.
Au niveau de sa sortie le dispositif de compression diphasique peut comporter
une
pièce adaptatrice, telle qu'une volute 35, permettant de transformer l'énergie
cinétique en
énergie potentielle pour minimiser les pertes d'énergie en sortie, reliée au
conduit
d'évacuation 17 du mélange essentiellement liquide.
Les gaz acides et l'eau de formation introduits à une pression P0 et une
température
TO par l'ouverture 33, puis la pièce d'entrée 34, sont comprimés dans le
premier étage (I1,
R1). En sortie de cet étage, une partie des gaz acides se retrouve dissoute
dans l'eau de
formation dans une proportion proche de celle fixée par les conditions
d'équilibre de
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dissolution à la sortie de l'étage El, à une pression P1 et une température
T1. Le mélange
ainsi produit M1 passe dans les étages de compression de rang supérieur afin
d'accroître la
pression et intensifier le mélange des gaz acides dans l'eau de formation
jusqu'à atteindre la
dissolution totale des gaz acides. En sortie du dispositif de compression
diphasique, le
mélange Ms formé par les gaz acides dissous dans l'eau de formation est évacué
par un
conduit 17 sous une forme essentiellement liquide ou liquide à une pression Ps
et une
température Ts.
Avantageusement le ou les derniers étages de pompage du dispositif de
compression peuvent comprendre des hydrauliques adaptées à des fluides
monophasiques,
tels que des impulseurs radiaux bien connus de l'Homme du métier. Des exemples
d'adaptations des étages de sortie et d'entrée du dispositif de compression
sont représentés
à titre illustratif et nullement limitatif sur les figures 4A et 4B.
Les figures 4A et 4B schématisent des variantes du dispositif de compression
où les
caractéristiques des étages de pompage en entrée et/ou en sortie sont
optimisées et
choisies selon la nature des fluides.
Dans le cas où les gaz acides présentent une pression nettement supérieure à
l'eau
de formation, les gaz acides sont introduits par un conduit 43 à un niveau de
pression
intermédiaire de compression dans le dispositif de compression diphasique 10,
le dispositif
12 n'étant plus utilisé. Il devient alors avantageux d'utiliser, pour les
premiers étages de
compression 40, des hydrauliques (impuiseurs, référencés 41 et redresseurs 42)
adaptées
au pompage d'un liquide, par exemple, des roues radiales, comme représenté
schématiquement sur la figure 4A.
Dans le cas où les gaz acides sont entièrement dissous dans l'eau de formation
en
amont de la sortie du dispositif de compression diphasique 10, il est
avantageux d'utiliser
pour les derniers étages de compression, des hydrauliques (impuiseurs,
référencés 45 et
redresseurs) adaptées au pompage d'un liquide, par exemple des roues radiales,
comme
représenté schématiquement sur la figure 4B.
Dans les deux cas, le diamètre extérieur des impulseurs radiaux, Dr, pourra
être
supérieur au diamètre extérieur des impulseurs hélico-axiaux, Dm, afin de
réduire au
minimum le nombre d'étages monophasiques.
L'adaptation mécanique-hydraulique entre un étage de pompage de type
polyphasique et un étage de pompage de type monophasique (phase liquide ou
gazeuse)
sera réalisée comme il est montré par la figure 7 dans le cas d'un impuiseur
hélico-axial en
aval d'un impuiseur radial.
La figure 5 schématise une variante du dispositif de compression diphasique
composé de deux sections 50, 51 où les étages de compression sont montés dos
à dos ,
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les deux sections étant séparées par un dispositif d'étanchéité 52, par
exemple, une
étanchéité à labyrinthes. Le mélange circule dans la section 30 dans un sens
opposé à celui
de la section 31.
Selon cette variante de réalisation, la section 50 comporte plusieurs étages
de
compression Ei (Ii, Ri) suivis d'une volute 54. Le mélange composé des gaz
acides et de
l'eau de formation est envoyé dans la première section 50 où il acquiert un
niveau de
pression intermédiaire Pi et où la dissolution au moins partielle des gaz
acides est réalisée.
Le mélange partiel Mi est évacué par un conduit 55 situé en aval d'une volute
54.
Ce mélange Mi issu de la première section 50 est ensuite envoyé vers la
seconde
section 51 du dispositif de compression dans lequel il est introduit par un
conduit 56. Le
mélange comprimé au travers des étages de compression de la deuxième section
51 est
évacué par une volute 57 puis un conduit 58 correspondant à la sortie haute
pression du
dispositif de compression. En passant dans la deuxième section du dispositif
de
compression, la pression du mélange Mi s'élève jusqu'à un niveau Ps suffisant
pour réaliser
la dissolution quasiment totale des gaz acides dans l'eau de formation jusqu'à
obtenir une
forme essentiellement liquide Mj.
Un tel agencement présente notamment comme avantage de minimiser les efforts
de poussée axiale s'exerçant sur l'arbre, dans le cas d'applications à haute
pression.
Lorsque les gaz acides et l'eau de formation possèdent en entrée du dispositif
de
compression diphasique des niveaux de pression assez éloignés, il est
préférable de les
introduire à des étages séparés du dispositif de compression, de façon à
éviter des pertes en
énergie. Les figures 6, 7 et 8 représentent différents exemples de
réalisation.
La figure 6 représente un agencement adapté au cas où l'eau de formation est à
un
niveau de pression Pe, inférieur au niveau de pression Pg des gaz acides.
L'eau de
formation est introduite par une entrée basse pression 60 dans le premier
étage de pompage
alors que les gaz acides sont envoyés par un conduit 62 relié à une entrée 61
correspondant
à un étage de compression situé en aval de l'étage d'entrée. Les gaz sont
introduits de
préférence au niveau du redresseur Ri de l'étage de pompage de rang i en
sortie duquel
l'eau de formation possède un niveau de pression Pe' voisin du niveau de
pression d'entrée
des gaz acides Pg:
La figure 7 détaille un exemple de dispositif 70 d'introduction des gaz acides
disposé
en aval de l'entrée 61 ayant à la fois pour fonctions de faciliter le mélange
du gaz et du
liquide et de canaliser le mélange en direction de l'entrée d'un impulseur
adapté à la
compression du mélange diphasique.
Le dispositif 70 est disposé entre l'impulseur Ii de l'étage de pompage de
rang i
constitué par exemple d'une roue radiale et l'étage de compression diphasique
E2 constitué
d'une roue hélico-axiale.
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Le dispositif 70, semblable à un étage statorique séparant deux roues radiales
et
connu de l'Homme du métier, comprend essentiellement un diffuseur 71 pour la
transformation de l'énergie cinétique en énergie potentielle et un canal de
retour 72.
II comporte aussi une partie 73 comprenant un passage 74 communiquant avec le
5 conduit d'introduction 62 des gaz acides et plusieurs canaux 75, de très
faible diamètre,
percés dans la pièce 73. Ces canaux débouchent dans le canal de retour 72 et
peuvent être
disposés régulièrement dans le plan radial.
Dans le cas d'un corps à joint horizontal, la pièce 73 est supportée
directement par le
carter 31.
10 Dans le cas d'un corps à joint vertical, la pièce 31 ainsi que toutes les
pièces internes
du dispositif 70 constituent une cartouche montée à l'intérieur d'un carter
cylindrique, non
représenté sur la figure. Un tel mode de construction est connu de l'Homme du
métier.
Les gaz acides sont introduits dans le dispositif de compression diphasique
successivement au niveau du conduit extérieur 62, dans le conduit intérieur 74
et finalement
dans le canal de retour 72 au travers des canaux 75.
Le dispositif permet un mélange intime du gaz et du liquide, l'efficacité
augmentant
avec le nombre des canaux.
Dans certains cas d'application il peut être avantageux d'introduire un fluide
(gaz ou
liquide) au niveau d'un étage quelconque de compression diphasique.
La figure 8 montre en détail un exemple d'agencement du carter 31 du
dispositif de
compression 10 communiquant avec un conduit d'introduction auxiliaire 80 d'un
fluide
monophasique.
Une ouverture 81 est pratiquée par exemple au niveau du redresseur Rj de
l'étage
de rang j du dispositif de compression. En aval de l'ouverture 81, un
dispositif 82 percé de
canaux 83 de très faible diamètre permet d'introduire le fluide monophasique
et de le diffuser
dans le mélange diphasique issu de l'impulseur lj. Le nouveau mélange formé du
mélange
diphasique et du fluide extérieur monophasique issu du redresseur Rj est
dirigé vers
l'impulseur Ij+1 de l'étage de compression de rang (J+1). Les diamètres des
impulseurs de
rangs Ij et Ij+1 sont adaptés au changement de débit volumique dû à
l'introduction du fluide
supplémentaire au travers du conduit 80.
Il est aussi possible d'utiliser cet agencement pour introduire des additifs
utilisés
dans le domaine pétrolier tels que des additifs anticorrosion, anti-hydrates
ou des
tensioactifs.
Au cours de la compression diphasique, il peut s'avérer avantageux de réaliser
un
traitement du mélange gaz acides-eau de formation pour activer la dissolution.
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Le traitement consistera par exemple à stabiliser la dissolution ou encore à
refroidir
le mélange gaz acide-eau dont la température s'est élevée au cours de la
compression du
fait même de la compression du mélange, mais également du caractère
exothermique de la
réaction de dissolution. D'autres traitements et leurs dispositifs associés
peuvent être
imaginés sans sortir du cadre de l'invention.
La figure 9 schématise un exemple de réalisation où le dispositif de
compression 10
de la figure 5 est associé à une unité de traitement 90 disposée en série .
Le mélange Mi issu de la sortie moyenne pression 55 est envoyé par un conduit
91
vers l'unité de traitement 90. En aval de l'unité de traitement 90, le mélange
Mi est ensuite
envoyé par un conduit 92 vers l'entrée moyenne pression 56 de la deuxième
partie du
dispositif de compression.
Par le simple fait de l'écoulement du mélange diphasique et du temps de
résidence
dans les conduits 55, 91, 92 et 56 ainsi que dans l'unité de traitement, il
est possible de
s'approcher des conditions de dissolution définies en condition d'équilibre.
En conséquence,
les diamètres et longueurs des tuyauteries situées de part et d'autre de
l'unité de traitement
90 pourront être calculés de façon à ajuster ce temps de résidence.
Les temps de résidence à observer seront éventuellement définis à partir
d'essais
préliminaires réalisés dans des conditions de fonctionnement réel. Il sera
ainsi possible de
prédire les écarts de dissolution entre les conditions transitoires et à
l'équilibre, ces écarts
pouvant être exprimés en durée temporelle ou en débit de gaz.
L'unité de traitement pourra comprendre un système de réfrigération. La
réfrigération
du mélange présentera de nombreux avantages:
= elle augmentera la capacité du liquide à dissoudre le gaz dans les
conditions d'équilibre,
= elle permettra de s'approcher des conditions d'équilibre, compte tenu du
temps de
résidence dans le système de réfrigération,
= elle permettra une augmentation de la densité du mélange, paramètre
favorable à la
compression d'un mélange diphasique,
= elle permettra une réduction du rapport des débits volumiques de gaz et de
liquide,
paramètre également favorable à la compression d'un mélange diphasique.
L'unité de traitement/refroidissement pourra être conçue de façon à refroidir
le
mélange diphasique et/ou une partie de la phase liquide prélevée à partir de
ce mélange ou
encore le liquide issu du dispositif de compression diphasique ou une partie
de ce liquide.
Les figures 10A et 10B schématisent deux exemples de réalisation du dispositif
de traitement
comportant des moyens de prélèvement et de recyclage du liquide.
Sur la figure 10A, l'unité de traitement 90 comporte un mélangeur de type
statique ou
dynamique 93 disposé sur le conduit 91, une vanne de réglage des pertes de
charge 94, un
moyen 95 d'extraction d'au moins une partie de la phase liquide contenue dans
le mélange
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diphasique circulant dans le conduit 91, un conduit 96 et une pompe 97
permettant d'envoyer
la fraction liquide extraite à refroidir, vers un dispositif de
refroidissement tel qu'un échangeur
98 en sortie duquel la fraction liquide refroidie est recyclée par un conduit
99 au mélangeur
statique 93 pour être mélangé avec le fluide circulant dans le conduit 91.
Lorsque le fluide se présente sous la forme d'un écoulement stratifié dans le
conduit
91, les moyens d'extraction 95 sont choisis pour réaliser le prélèvement d'au
moins une
partie de la phase liquide en un point bas de la conduite.
Pour des fluides en écoulement annulaire les moyens d'extraction 95
permettront
d'extraire une fraction de la phase liquide à la périphérie de la conduite 91.
La pompe 97 peut être une pompe monophasique de faible hauteur manométrique.
La figure 10B schématise une autre variante de réalisation où le prélèvement
de la
phase liquide à refroidir est réalisé à haute pression sur le fluide liquide
issu du dispositif de
compression.
L'unité de traitement comporte le mélangeur statique ou dynamique 93 disposé
sur le
conduit 91, des moyens d'extraction 100 d'une fraction de liquide issu du
dispositif de
compression et qui sont reliés à l'échangeur de chaleur 98 par un conduit 101,
une vanne
102 permettant le réglage du débit de liquide refroidi dans l'échangeur de
chaleur 98, le
liquide refroidi étant envoyé par un conduit 103 vers le mélangeur statique
93.
La partie de la phase liquide non prélevée et correspondant sensiblement au
débit du
liquide circulant dans le conduit 11 est évacuée par un conduit 104.
La recirculation du liquide refroidi vers le conduit 91 est permise en
fonctionnement
normal sans l'aide d'une pompe supplémentaire du fait de la différence de
pression positive
entre le conduit 58 et le conduit 55.
De tels agencements (figures 10A et 10B) permettront notamment :
= une plus grande efficacité et une réduction en volume de l'échangeur opérant
à une
pression élevée ou moyennement élevée,
= un accroissement du débit de liquide dans la zone de recyclage favorable à
la dissolution
du gaz dans le liquide.
L'unité de traitement 90 pourra être équipée d'autres conduits 91 b permettant
l'ajout
d'un fluide au mélange Mi, par exemple des additifs cités précédemment.
La figure 11 schématise un exemple de généralisation de l'utilisation d'un
dispositif
de compression diphasique comportant deux corps de machine CM, et CM2, formant
le
dispositif de compression diphasique et qui sont reliés entre eux par un
conduit 123, adapté
par exemple lorsque l'on est en présence de plusieurs sources de fluides à des
niveaux de
pression différents.
Sur cet exemple le deuxième corps CM2 est associé à un dispositif de
traitement 116
selon un agencement similaire à celui de la figure 9.
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En sortie du corps CM, le fluide se présente par exemple sous une forme
polyphasique.
Sur la figure 11, le dispositif de compression est alimenté par trois sources
de gaz
acides référencées respectivement 110, 111 et 112 à des pressions PG3, PG2 et
PG, , des
températures TG3, TG2 et TG, et avec par exemple PG,< PG2<PG3.
Les gaz acides G, (112) et G2 (111) sont introduits dans le premier corps CM,
par
des conduits 113, 114 correspondants à des étages de compression du corps
différents,
dont les rangs sont déterminés selon les valeurs des pressions PG, et PG2.
Les gaz acides G3 (110) sont envoyés par un conduit 115 vers le dispositif de
traitement 116.
Deux sources de liquide L,et L2 à des pressions respectivement PL, et PL2 et
des
températures TL, et TL2 sont également représentées sur cette figure.
Le liquide L,, (117), est envoyé par un conduit 120 dans le premier corps de
CM,. En
faisant comme hypothèse que PL,<PG, le conduit 120 est relié directement au
premier étage
du corps CM, alors que les gaz acides G, et G2 sont envoyés à des étages de
pompage de
rang supérieur selon un schéma voisin de celui de la figure 6.
Le liquide contenu dans la source L2 (118), est envoyé directement dans le
second
corps CM2 par un conduit 121, par exemple au niveau de son étage d'entrée.
En suivant la distribution des fluides donnée ci-dessus, le mélange des
fluides et leur
gain en pression s'effectuent par exemple de la manière suivante:
Le niveau de pression PL, du liquide L, augmente jusqu'à atteindre un niveau
de
pression sensiblement identique à celle du gaz G,, PG,. A l'intérieur de la
première partie du
corps CM,, les gaz acides G, sont dissous dans le liquide L, au moins
partiellement, le
mélange M obtenu étant à un niveau de pression P. Les gaz acides G2 ayant une
pression
PG2 sont introduits dans l'étage en sortie duquel le mélange M possède un
niveau de
pression sensiblement identique. Ces trois fluides se mélangent en passant à
travers les
différents étages de compression du corps CM,, le mélange polyphasique M'
résultant étant
évacué par un conduit 122 à un niveau de pression F.
Le mélange M' issu du corps CM, est introduit avec le liquide L2 ayant une
pression
PL2, par un conduit 123 dans le deuxième corps CM2.
En sortie de la première partie du second corps, on envoie le mélange Mi qui
se
trouve à un niveau de pression intermédiaire Pi par un conduit 124 vers le
dispositif de
traitement 116 dans lequel il est mélangé au moins en partie avec le gaz G3.
Le mélange M'i issu du dispositif de traitement est ensuite envoyé par un
conduit 125
dans la deuxième partie du corps CM2 , passe à travers les différents étages
de
compression. En sortie du corps CM2 on évacue un fluide Ms essentiellement
liquide à un
niveau de pression Ps par la sortie 126 par exemple dans une nappe aquifère.
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Selon une autre manière d'opérer, il sera possible de rattraper des écarts sur
les
paramètres de fonctionnement du dispositif de compression diphasique à partir
de
différentes mesures sur le dispositif de compression diphasique.
Sur la figure 12, on a schématisé dans un diagramme hauteur manométrique (en
ordonnée) - volume de sortie (en abscisse) - paramétré en vitesse (N), les
performances
hydrauliques du dispositif de compression diphasique. Sur ce diagramme ont été
représentés un point de fonctionnement souhaité C, ainsi que deux points, A et
B,
représentant deux cas de dysfonctionnement.
En équipant le dispositif de compression diphasique d'un système de mesures
appropriées tels que des capteurs de pression, de température, de débit, de
densité (ou taux
de vide), et un dispositif de contrôle et de calcul tel qu'un micro-contrôleur
relié à tous ces
éléments, il est possible :
= de mesurer différents paramètres :
* les valeurs de débit de la phase gazeuse et de la phase liquide avant leur
entrée dans
le dispositif de compression diphasique Qg et 01, pour chacun de mesurer les
valeurs
de la température et de pression associées Tg et TI, Pg et PI,
* en sortie du dispositif de compression des valeurs liées au liquide telles
que sa
pression Pm, sa température Tm, son débit Qm et sa densité pm,
= de mémoriser les paramètres caractéristiques des fluides gazeux et liquides
en entrée du
dispositif de compression par exemple la densité pour le fluide liquide, pi,
et la masse
molaire Mg et le facteur isentropique yg pour le fluide gazeux,
= à partir de ces différentes mesures, des données précédemment mentionnées et
d'un
traitement des données approprié, de déterminer le point de fonctionnement du
dispositif
de compression et la courbe de vitesse correspondante, et
= en comparaison avec une valeur déterminée de vérifier que ce point de
fonctionnement
appartient à un domaine permis de fonctionnement ou un domaine optimal de
fonctionnement.
Dans le cas où le point de fonctionnement se trouve en dehors du domaine de
fonctionnement souhaité, il >sera possible d'agir sur la vitesse de rotation
si le dispositif
possède un entraînement à vitesse variable, et éventuellement sur l'efficacité
du système de
réfrigération ou encore sur le débit de liquide recyclé selon la conception du
système de
compression.
Par exemple, si le point A traduit une dissolution trop rapide avec un débit
en aval
trop faible et une pression en aval trop importante, pour remédier à ce
problème il sera
possible d'agir en réduisant la vitesse de rotation du dispositif de
compression diphasique
pour amener le point de fonctionnement A vers le point de fonctionnement
souhaité C.
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Le point de fonctionnement B schématise le cas inverse.
Le dispositif de compression sera de préférence équipé d'un entraînement à
vitesse
variable. La régulation en vitesse pourra s'effectuer automatiquement ou
manuellement.
5
Exemple comparatif
Le dispositif de compression et de mélange diphasique présente en comparaison
d'un système de compression morwphasique et de mélange de nombreux avantages
dont
une forte réduction du nombre des équipements, se traduisant par :
10 = une plus grande sécurité en présence de gaz nocifs tels l'hydrogène
sulfuré H2S,
= une réduction des coûts dans un environnement corrosif et / ou soumis à une
forte
pression.
La réduction du nombre des équipements dépend fortement des cas
d'applications,
principalement, le GLR et la pression à l'entrée du dispositif de compression.
La pression
15 d'entrée est approximativement égale à la pression en aval de l'unité de
déacidification.
Une étude comparative entre des systèmes de compression diphasique et
monophasique (compresseur et pompe) a été réalisée sur les bases suivantes :
= une pompe diphasique comportant 13 étages de compression. La pression de
refoulement est déterminée par le dispositif de compression diphasique. Les
mêmes
conditions de pression sont utilisées pour les deux types de compression,
= deux valeurs de hauteur manométrique monophasique de 150 m et 300 m par
étage de
compression diphasique. La hauteur manométrique de compression diphasique est
obtenue par le produit de la hauteur monophasique et de l'efficacité
diphasique, cette
dernière étant une fonction du GLR et du rapport des densités des phases,
= un débit liquide de 200 m3/Heure et un débit de gaz qui varie entre des
valeurs
correspondant à un GLR de 1 et un GLR de 15,
= une pression de 1 MPa abs en sortie d'un procédé de traitement par solvant
physique et
de 0,1 MPa abs en sortie d'un procédé de traitement par solvant chimique.
Le tableau ci-dessous représente dans les conditions de l'étude, le nombre de
sections de compression et par conséquent le nombre d'unités de
refroidissement
(également le nombre de ballons en amont des sections de compression) requis
par une
compression monophasique lorsqu'une unité de refroidissement au maximum est
requise
par la compression diphasique.
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GLR du fluide à l'entrée
du dispositif de compression diphasique : 1 4 9 : 15
CASI
Traitement par solvant physique 2 2 1 1
Hauteur manométrique par impulseur diphasique: 150 m
...............................................................................
...............................................................................
..............
CAS I I .................
Traitement par solvant physique 3 3 2 2
Hauteur manométrique par impulseur diphasique: 300 m
............................................................CAS
III............................................--.
Traitement par solvant chimique 5 5 5 4
Hauteur manométrique par impulseur diphasique: 150 m
