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CA 02637643 2008-07-22
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Séparateur à écoulement cyclonique
L'invention concerne de façon générale un
séparateur à écoulement cyclonique pour séparer des
composants non miscibles d'un milieu fluide.
Une application non exclusive d'un tel séparateur
se situe dans la production d'huile pétrolière. Dans cette
application, à laquelle les inventeurs se sont
particulièrement intéressés, sans que ceci soit à
considérer comme limitatif, le séparateur est placé par
exemple dans un puits pétrolier. Il reçoit un fluide
comprenant de l'eau et de l'huile, provenant d'un réservoir
producteur et en extrait une huile à teneur réduite en eau.
L'eau séparée de l'huile extraite est réinjectée dans un
niveau réservoir, qui peut être différent du réservoir
producteur, sans avoir à être séparée ou traitée dans une
installation de surface. Une variaiiLe est de séparer les
fluides dans le puits et de les remonter en surface.
Un séparateur selon l'invention est utilisable dans
diverses autres applications connues d'appareils de ce
genre, par exemple pour le dépoussiérage de gaz.
Le régime cyclonique d'écoulement dans une chambre
de séparation de composants d'un fluide est
particulièrement efficace pour la séparation massique des
composants. En sortie de la chambre de séparation à
écoulement cyclonique, on récupère les composants les plus
lourds à une position radiale plus éloignée du centre que
les composants plus légers. Dans un écoulement cyclonique
idéal, la vitesse tangentielle des particules du milieu
fluide croît selon une loi hyperbolique depuis la
périphérie de la chambre jusqu'à un rayon où elle atteint
une valeur maximale, puis diminue entre ce rayon et le
centre de la chambre selon une loi linéaire. Elle est en
particulier nulle au centre de la chambre de séparation.
Ceci soumet les particules du milieu fluide à des
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accélérations radiales inversement proportionnelles au cube
du rayon dans la zone hyperbolique.
Le document FR-A-2 592 324 décrit un séparateur
pour liquide hétérogène ayant une chambre de séparation
cylindrique et un lanceur axial qui tournent solidairement
autour de leur axe commun. Le lanceur a un noyau autour
duquel des canaux de guidage amènent un milieu fluide dans
la chambre en vue d'y générer un écoulement cyclonique. Ces
séparateurs tournants ont pour avantage, par rapport aux
séparateurs statiques, de réduire les frottements dus aux
différences de vitesse entre les parois de la chambre et le
milieu injecté, frottements qui perturbent le régime
cyclonique.
En pratique, les conditions de l'écoulement
cyclonique sont délicates à réaliser sur la longueur de la
chambre.
La présente invention a pour but de perfectionner
les séparateurs à écoulement cyclonique de type tournant.
On cherche notamment à améliorer le pouvoir de séparation
par une bonne maîtrise du régime cyclonique.
Un séparateur à écoulement cyclonique selon un mode
de réalisation de l'invention comprend une chambre de
séparation cylindrique et un lanceur coaxial entraînés en
rotation. Le lanceur comporte un noyau, une entrée pour
recevoir un écoulement de fluide sensiblement axial, une
sortie pour injecter le fluide dans la chambre de
séparation et une pluralité de canaux de guidage formés
entre l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du
noyau. Le noyau a une portion de diamètre sensiblement égal
ou supérieur au diamètre intérieur de la chambre de
séparation. Dans cette portion, les canaux de guidage sont
sensiblement rectilignes et parallèles à l'axe de la
chambre de séparation, puis ils se prolongent en demeurant
sensiblement rectilignes jusqu'à la sortie du lanceur. La
sortie du lanceur a une forme sensiblement cylindrique de
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diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de la
chambre de séparation.
Grâce à ces dispositions, on se rapproche des
conditions idéales où la distribution des vitesses
tangentielles du fluide dans le dispositif est conforme à
la loi théorique hyperbolique en fonction de la position
radiale. L'écoulement dans la chambre de séparation est
alors en régime cyclonique ou très proche de celui-ci.
Ainsi, les performances du séparateur s'en trouvent
améliorées.
Dans des modes de réalisation du séparateur, on
peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à
l'autre des dispositions suivantes :
- les canaux de guidage ont une forme sensiblement
hélicoïdale du côté de l'entrée du lanceur, pour
amener progressivement le fluide en rotation avec
la chambre de séparation et le lanceur;
- ladite portion du noyau a un diamètre sensiblement
égal au diamètre intérieur de la chambre de
séparation;
- les canaux de guidage se subdivisent à partir de
ladite portion du noyau vers la sortie du lanceur;
- les canaux de guidage sont en nombre supérieur à
dix, et typiquement au moins égal à vingt, au
niveau de la sortie du lanceur.
Un autre aspect de l'invention se rapporte à un
procédé de production d'huile pétrolière, comprenant les
étapes suivantes:
- disposer au moins un séparateur de composants dans
une installation pétrolière, le séparateur
comprenant une chambre de séparation cylindrique et
un lanceur coaxial, le lanceur comportant un noyau,
une entrée à l'opposé de la chambre de séparation,
une sortie dirigée vers la chambre de séparation et
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une pluralité de canaux de guidage formés entre
l'entrée et la sortie du lanceur en périphérie du
noyau, le noyau ayant une portion de diamètre
sensiblement égal ou supérieur au diamètre
intérieur de la chambre de séparation, portion dans
laquelle les canaux de guidage sont sensiblement
rectilignes et parallèles à l'axe de la chambre de
séparation, les canaux de guidage sensiblement
rectilignes se prolongeant depuis ladite portion
jusqu'à la sortie du lanceur, la sortie du lanceur
ayant une forme sensiblement cylindrique de
diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur de
la chambre de séparation, et la chambre de
séparation ayant au moins des première et deuxième
sorties concentriques à l'opposé du lanceur;
- faire tourner la chambre de séparation et le
lanceur autour de leur axe;
- fournir un écoulement sensiblement axial d'un
fluide incluant de l'huile et de l'eau à l'entrée
du lanceur;
- évacuer de l'eau au niveau de la première sortie de
la chambre de séparation; et
- extraire l'huile pétrolière à teneur réduite en eau
résiduelle au niveau de la deuxième sortie de la
chambre de séparation, la deuxième sortie étant
plus proche de l'axe de la chambre de séparation
que la première sortie.
D'autres caractéristiques et avantages de
l'invention apparaîtront au cours de la description
suivante d'un de ses modes de réalisation, donné à titre
d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. Sur
les dessins:
- la figure 1 est un schéma de principe en coupe
longitudinale d'un séparateur de composants d'un milieu
fluide;
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- la figure 2 est une vue agrandie de la partie
aval de la chambre de séparation du séparateur de la
figure 1;
- la figure 3 est une vue agrandie du lanceur du
5 séparateur du type de l'invention;
- la figure 4 est une coupe transversale selon la
ligne de repère IV-IV de la figure 3;
- la figure 5 est une coupe transversale selon la
ligne de repère V-V de la figure 3; et
- la figure 6 est une vue de coté du lanceur du
séparateur, sans les autres éléments du séparateur de la
figure 1 ; et
- la figure 7 est une vue agrandie d'une autre
réalisation du lanceur du séparateur selon l'invention.
La figure 1 présente une vue générale en coupe
axiale d'un mode de réalisation d'un séparateur à
écoulement cyclonique. Cet exemple de séparateur 1 comporte
une enveloppe externe 5 fixe, de forme générale cylindrique
d'axe 6, comprenant une entrée E d'un milieu fluide à
séparer, une première sortie S1 de fluide et une deuxième
sortie S2 de fluide. A l'intérieur de l'enveloppe 5, une
chambre de séparation cylindrique 3 et un lanceur coaxial 2
sont montés coaxialement avec l'enveloppe 5 et pivotants
autour de l'axe 6.
La chambre 3 et le lanceur 2 appartiennent à un
ensemble 11 monté pivotant dans l'enveloppe externe 5 sur
des roulements 12. Le nombre et la position des roulements
sur la figure 1 peuvent varier. Des joints dynamiques 13
permettent de réaliser l'étanchéité entre l'ensemble mobile
11 et l'enveloppe externe 5 fixe. Dans le mode de
réalisation de la figure 1, l'ensemble mobile 11 est
entrainé en rotation par une courroie 14 entrainée elle-
même par un moteur 4.
L'entrée E, à une extrémité amont du séparateur 1,
est alimentée par un raccord axial 10 avec un débit sous
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pression d'un milieu fluide à séparer, tel qu'une émulsion
eau-huile.
La première sortie Sl est réalisée ici par un
raccord latéral 8 sur l'enveloppe externe 5 du séparateur
1. Cette première sortie Si permet d'évacuer un premier
composant fluide de densité relativement importante capté
en sortie de la chambre de séparation 3, c'est-à-dire à
l'opposé du lanceur 2, à distance de l'axe 6. La deuxième
sortie S2 est réalisée ici par un tube 7 centré sur l'axe 6
et communiquant avec l'intérieur de la chambre de
séparation 3. Cette deuxième sortie S2 permet d'évacuer un
deuxième composant fluide de densité plus faible que le
premier composant.
Dans l'application à la production d'huile
pétrolière, le premier composant fluide est de l'eau (ayant
une teneur résiduelle en huile beaucoup plus faible que la
teneur en huile de l' ~ ulsior~ introduite à l' eritrée E) , et
le deuxième composant fluide de l'huile (ayant une teneur
résiduelle en eau beaucoup plus faible que la teneur en eau
de l'émulsion introduite à l'entrée E).
Après l'entrée E, le milieu fluide (eau-huile)
pénètre dans l'ensemble mobile 11 par son extrémité amont,
débouche dans une chambre amont 15, traverse le lanceur 2
qui transforme le mouvement de translation du fluide en un
mouvement de rotation d'axe 6 et de vitesse de rotation
identique à celle de l'ensemble 11, et est injecté en
périphérie de la chambre de séparation 3 avec une vitesse
tangentielle sensiblement égale à celle de la paroi de la
chambre 3.
Avec ce type d'entrée dans la chambre de séparation
3, la vitesse tangentielle du fluide dans la chambre 3
évolue sensiblement de manière inversement proportionnelle
au rayon, augmentant très fortement lorsque l'on se
rapproche du centre, c'est-à-dire de l'axe 6. Ceci conduit
à des accélérations favorables à la séparation des fluides,
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et notamment à concentrer le deuxième composant fluide, de
densité plus faible que le premier composant fluide, vers
le centre de la chambre de séparation 3 lors de
l'écoulement.
Le premier composant fluide relativement dense
(eau) est alors évacué de la chambre de séparation 3 par
une première sortie annulaire 31 à l'extrémité aval de la
chambre 3, qui communique avec la sortie Sl du séparateur
via un canal annulaire 9. Ces éléments sont plus facilement
visibles sur la figure 2 qui est une vue agrandie de la
partie droite de la figure 1. Dans l'application à la
production pétrolière, l'eau ainsi évacuée, dont la teneur
résiduelle en huile peut être très faible, est réinjectée
dans un niveau réservoir qui peut être différent de celui
d'où provient le mélange émulsionnel amené à l'entrée E du
séparateur.
Le deuiii2fiie coiiiposant fluide relativement peu dense
(huile) est extrait par une deuxième sortie de la chambre
de séparation 3 consistant dans cet exemple en un orifice
d'entrée 32 du tube central 7. Ce tube 7 du mode de
réalisation des figures 1 et 2 est solidaire de l'enveloppe
externe 5 du séparateur, et ne tourne pas avec la chambre
de séparation 3, ce qui simplifie la construction de
l'appareil.
Dans une variante d'agencement des sorties de la
chambre de séparation 3, celles-ci sont toutes deux de
forme annulaire et concentriques avec l'axe de la chambre,
par exemple comme décrit dans FR-A-2 771 029. Divers
agencements sont possibles en sortie de la chambre de
séparation 3 à écoulement cyclonique. En général, les
sorties sont concentriques et le composant le plus dense
(l'eau) est évacué au niveau de la sortie la plus éloignée
de l'axe tandis que le composant le plus léger (l'huile)
est extrait au niveau de la sortie la plus proche de l'axe.
Dans certains cas, une sortie de gaz (phase la moins dense
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et la plus centrale) peut être prévue en plus des sorties
d'eau et d'huile.
La figure 3 est une vue agrandie, en coupe
longitudinale similaire à celle de la figure 1, présentant
un lanceur 2 d'un exemple de séparateur selon l'invention.
Le lanceur 2 est situé entre la chambre amont 15 et la
chambre de séparation 3. Il comprend une entrée 25 en
communication avec la chambre amont 15, des canaux de
guidage 28 du milieu fluide, une sortie 26 débouchant dans
la chambre de séparation 3 et un noyau 27 sensiblement
coaxial à l'axe 6 du séparateur. Le noyau 27 a par exemple
une forme d'ogive axisymétrique vers l'entrée du lanceur 2
pour amener progressivement le fluides en périphérie du
lanceur 2, et une forme conique vers la chambre de
séparation 3.
La figure 4 est une vue en coupe transversale selon
la ligne de repere iV-IV de la figure 3. On voit que les
canaux de guidage 28 sont délimités par des aubes 30, par
exemple radiales, s'étendant du noyau 27 jusqu'à la paroi
de l'ensemble 11, formant ainsi des cavités fermées dans le
plan de la figure 4.
La figure 5 est une vue en coupe transversale selon
la ligne de repère V-V de la figure 3, c'est-à-dire dans la
zone de la sortie 26. Dans cette zone, les aubes 30
délimitant les canaux de guidage 28 se séparent du noyau 27
et restent reliées à la paroi de l'ensemble 11, formant
ainsi des cavités ouvertes vers l'intérieur de la chambre
de séparation 3, en regard de la partie conique du noyau
27.
Dans la zone de la sortie 26, les extrémités
internes des aubes radiales 30 s'étendent suivant des bords
longitudinaux 29 sensiblement rectilignes et parallèles à
l'axe 6 du séparateur. Comme représenté en figure 3, ces
bords 29 se répartissent sur une surface cylindrique placée
dans le prolongement de la face intérieure 16, de diamètre
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intérieur D3, de la chambre de séparation 3. C'est cette
surface cylindrique qui définit la sortie 26 du lanceur 2
et l'entrée de la chambre de séparation 3.
La sortie 26 du lanceur 2 a ainsi une forme
sensiblement cylindrique de diamètre égal au diamètre
intérieur D3 de la chambre de séparation 3. Elle est
définie par les ouvertures des canaux de guidage 28 entre
les bords 29.
Entre l'entrée 25 et la sortie 26 du lanceur, le
noyau 27 a une portion de diamètre D27 supérieur ou égal au
diamètre intérieur D3 de la chambre de séparation 3. Ces
deux diamètres D3, D27 sont représentés égaux en figure 3.
En entrant dans la chambre de séparation 3, c'est-à-dire en
sortie 26 du lanceur, l'écoulement de fluide a
essentiellement une composante de vitesse tangentielle. Sa
composante de vitesse centripète peut être très faible si
la transition entre le dia.<<ètre extcrieur des canaüx de
guidage 28 et le diamètre D3 de la chambre de séparation
est progressive, comme représenté. Grâce à l'agencement de
la sortie 26 du lanceur 2, la vitesse tangentielle du
fluide injecté dans la chambre 3 est quasiment la même que
celle de la paroi de cette chambre, de sorte que le fluide
entre dans la chambre de séparation 3 sans former de
frottement ou de turbulences indésirables.
La figure 6 présente une vue de côté du lanceur
seul 2, permettant de voir la forme du noyau 27 et des
aubes radiales 30 délimitant les canaux de guidage 28.
Le lanceur 2 représenté sur la figure 6 comprend
vers l'entrée 25 des canaux de guidage 28 ayant une forme
sensiblement hélicoïdale pour amener progressivement le
fluide en rotation de manière solidaire avec la rotation de
l'ensemble 11. Ensuite, les canaux de guidage 28 ont une
forme rectiligne sensiblement parallèle à l'axe 6 jusqu'à
la sortie 26 du lanceur 2.
Comme représenté en figure 6, les canaux de guidage
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28 se subdivisent en un nombre supérieur de canaux après
l'entrée 25, dans la portion de diamètre D27 où ces canaux
deviennent rectilignes et longitudinaux.
Les canaux de guidage 28 peuvent encore se
5 subdiviser en un nombre supérieur avant la sortie 26, pour
encore améliorer l'entraînement en rotation du fluide avant
son entrée dans la chambre de séparation 3.
Dans le mode de réalisation du lanceur présenté en
figure 6, il y a cinq canaux de guidage 28 en entrée du
10 lanceur, dix canaux de guidage 28 dans un tronçon
intermédiaire, et vingt canaux de guidage en aval de ce
tronçon et jusqu'à la sortie 26 du lanceur.
Il est intéressant d'avoir un nombre relativement
important de canaux de guidage 28 en sortie 26 du lanceur 2
pour favoriser une entrée peu perturbée du fluide dans la
chambre de séparation 3. Un nombre de canaux de guidage 28
supérieur à dix est par conséquent avantageux. De
préférence, ce nombre est égal ou supérieur à vingt.
La figure 7 est une figure semblable à la figure 3
présentant une variante du lanceur 2 où le diamètre D27 de
la portion intermédiaire du noyau 27 est supérieur au
diamètre D3 de la chambre de séparation.
Le séparateur à écoulement cyclonique décrit ci-
dessus est applicable pour la séparation de tout milieu
fluide ayant des composants non-miscibles de densités
différentes et non seulement pour la séparation d'une
émulsion d'eau et d'huile.
Dans la description précédente, le milieu fluide
est présenté comme ne comportant que deux composants
fluides. Bien entendu, ce milieu peut comporter plus de
deux composants de densités différentes. La chambre de
séparation pourra alors comporter plus de deux sorties
permettant d'extraire les différents composants fluides.
Les composants à séparer dans le milieu fluide ne sont pas
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limités à des liquides, tel que l'huile et l'eau; ils
peuvent aussi inclure des gaz et/ou des particules solides
en suspension dans le milieu fluide.
Dans l'application à la production d'huile
pétrolière, l'émulsion eau-huile (pouvant en outre contenir
du gaz dissous dans l'huile ou injecté depuis la surface)
provient d'un réservoir pétrolier, et est amené à l'entrée
E du séparateur 1. L'ensemble mobile 11 comportant le
lanceur 2 et la chambre de séparation 3 est par exemple mis
en rotation à partir de l'arbre d'une pompe de fond de
puits ou d'un moteur placé à proximité du séparateur. Si le
séparateur est placé dans le puits, l'huile extraite sur la
sortie S2 est remontée sur l'installation de surface en
tête du puits, tandis que l'eau évacuée sur la sortie S1
peut être réinjectée dans un niveau réservoir qui, peut
être différent du réservoir producteur.
Une alternative est de séparer les composants
fluides en fond de puits mais de les remonter en surface.
Une autre alternative est de remonter l'émulsion et
d'effectuer la séparation en surface, par exemple sur une
plateforme pétrolière. Encore une autre alternative est de
transférer le mélange de fluide jusqu'à la tête de puits
sous-marine et d'effectuer la séparation au fond de la mer.
