Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2018/220293 PCT/FR2018/000144
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Installation de réchauffage de conduits d'extraction
d'hydrocarbures
Le secteur technique de la présente invention est celui
des dispositifs de réchauffage des conduits d'extraction
d'hydrocarbures dans un puits de pétrole brut paraffinique ou
lourd.
Il est connu à ce jour d'extraire des liquides du sol,
par exemple des hydrocarbures, reposant dans des gisements
/0 souterrains pouvant se trouver à plusieurs kilomètres dans la
terre. Après forage d'un trou depuis la surface jusqu'au
gisement où se trouve le liquide à extraire, on consolide ce
trou au fur et à mesure du forage avec des tuyaux de diamètre
dégressif. L'ensemble de ces tuyaux constitue une enveloppe.
/5 Dans la zone productrice, vers l'extrémité enfouie, cette
enveloppe est percée d'un certain nombre d'orifices afin
d'offrir un accès au liquide. Cette partie percée est
désignée par le terme crépine ou drain suivant sa longueur.
Un tuyau de diamètre constant et inférieur à celui de
20 l'enveloppe est introduit dans l'enveloppe précédente afin
d'atteindre le fond du forage pour pomper le liquide jusqu'à
la surface. Ce tuyau est donc un tuyau de pompage. Ce tuyau
peut être équipé d'une pompe de fond de puits.
Un problème fréquemment rencontré avec certaine huiles
25 réside dans le dépôt de paraffines ou asphaltènes sur les
parois de la conduite de remontée du pétrole brut dans les
puits. Ces fractions ont tendance à se solidifier d'autant
plus que la température baisse. Ces fractions tendent à se
déposer dans la conduite de remontée du pétrole comme évoqué
30 précédemment et viennent alors progressivement obturer cette
conduite. Il est alors nécessaire, pour poursuivre
l'extraction, d'effectuer une opération dite de grattage
mécanique afin d'éliminer la paraffine accumulée dans la
conduite, ce qui impose un arrêt de la production.
35 Selon les puits, ces arrêts de production doivent être
réalisés à des fréquences pouvant aller de 1 fois par semaine
à plusieurs fois par jour pour les puits les plus critiques.
Ces arrêts entrainent une diminution de la production globale
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du puits.
Un autre problème rencontré dans le cas des huiles
lourdes est l'augmentation des pertes de charges quand la
température du pétrole diminue dans la conduite de remontée
en surface. Ceci peut entrainer une diminution du débit de la
production du puits ou la nécessité de sélectionner une pompe
plus puissante.
On constate donc que la viscosité élevée et les dépôts
solides conduisent à des ralentissements du débit de
production, ce qui augmente le coût de la production par
unité de volume, pouvant conduire à la fermeture d'un puits.
Pour résoudre ce problème, une solution par apport de
chaleur consiste à disposer le long de la conduite de
remontée du pétrole des éléments chauffants électriques
/5 résistifs ou inductifs. Ces éléments peuvent être installés
soit à l'extérieur soit à l'intérieur de la conduite. Dans le
cas d'une installation à l'extérieur, ces éléments
électriques nécessitent d'être installés contre la paroi de
la canalisation pour favoriser l'échange thermique entre les
résistances et la canalisation. Le risque est d'avoir une
température importante des résistances. Il se pose alors le
problème de choix du matériau de ces résistances ainsi que
des connections.
Pour des raisons de fiabilité enfin, il est délicat
d'apporter de grandes quantités d'énergie électrique en fond
de puits.
Le but de la présente invention est de fournir un système
de réchauffage de la conduite de remontée de pétrole dans un
puits pour empêcher le dépôt de paraffines ou asphaltènes sur
la paroi de la conduite lors de la production, dissoudre ces
dépôts ayant pu apparaitre dans la conduite de remontée du
pétrole lors d'un arrêt et avant un redémarrage du puits ou
maintenir la viscosité de l'huile à un niveau acceptable pour
la pompe de fond de puits.
L'invention a donc pour objet une installation de
réchauffage des conduits d'extraction d'hydrocarbures à
travers un puits reliant la surface à une zone d'extraction,
comprenant une conduite sensiblement cylindrique consolidant
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ledit forage, un moyen d'extraction d'hydrocarbures et des
moyens permettant de faire circuler un fluide chaud depuis la
surface vers la zone à réchauffer du puits, caractérisée en
ce que les moyens de circulation comprennent dans la conduite
une première canalisation de chauffage isolée thermiquement
d'injection depuis la surface du fluide chaud jusqu'à la
profondeur souhaitée et une seconde canalisation de chauffage
entourant la première canalisation pour ramener le fluide
chaud vers la surface et en ce que les moyens d'extraction
comprennent une canalisation de pompage entourant les
première et seconde canalisations de chauffage pour
l'extraction des hydrocarbures.
Selon une caractéristique de l'invention, les première et
seconde canalisations de chauffage sont reliées en surface à
/5 une station de production de fluide chaud composée d'un
réservoir de stockage ou vase d'expansion, d'une pompe et
d'un réchauffeur pour assurer une circulation en continu du
fluide chaud dans lesdites canalisations de chauffage avec un
contrôle en continu de la température et du débit.
Le fluide chaud sortant du réchauffeur circule dans la
canalisation thermiquement isolée jusqu'à l'extrémité de
celle-ci puis remonte en surface entre la canalisation
thermiquement isolée et la second canalisation de chauffage.
Le vase d'expansion permet d'accommoder l'augmentation de
volume de l'huile chaude dans le circuit fermé et ainsi
éviter toute surpression dans le circuit.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la
première canalisation de chauffage est ouverte à son
extrémité distale et la deuxième canalisation de chauffage
est fermée à son extrémité distale par une paroi
transversale.
Avantageusement, la première canalisation de chauffage
est isolée thermiquement à l'aide d'un isolant résistant à la
compression, soit de par ses propriétés de résistance à la
compression soit par l'ajout d'écarteurs régulièrement
disposés entre la première et la deuxième canalisation.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la
canalisation de pompage est reliée à une unité d'extraction
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en surface.
Avantageusement, la canalisation de pompage, est équipée
d'une pompe de fond de puits.
Avantageusement encore, la canalisation de pompage est
ouverte à son extrémité distale et comporte des perforations
au moins au niveau de sa partie terminale.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la
première canalisation de chauffage est constituée d'un
premier tube interne entouré d'un second tube externe
concentrique et d'un isolant logé dans l'espace compris entre
les deux tubes.
Avantageusement, l'isolant est constitué par un matériau
microporeux et en ce qu'une pression réduite est établie dans
l'espace compris entre les deux tubes.
/5 Plus particulièrement encore, la pression réduite entre
les deux tubes de la première canalisation est comprise entre
1 et 100 mbar.
Selon encore une caractéristique de l'invention, la
première canalisation de chauffage est munie d'un fil
électrique chauffant disposé contre la paroi interne du tube
interne.
Un avantage de l'invention réside dans la réalisation
d'un circuit fermé permettant l'apport de chaleur dans la
canalisation de pompage, jusqu'à son extrémité dans le puits,
avant la pompe de fond de puits. Le fluide chaud peut être
choisi parmi les fluides utilisés dans les installations de
chauffage, par exemple une huile thermique industrielle ou de
l'eau.
Le fluide chaud sortant du réchauffeur circule dans la
première canalisation thermiquement isolée
jusqu'à
l'extrémité de celle-ci puis remonte en surface entre la
première canalisation thermiquement isolée et la seconde
canalisation de chauffage. Lors de cette remontée, l'énergie
calorifique contenue dans le fluide chaud est dissipée par
conducto-convection dans le pétrole produit dans la
canalisation de pompage et dans la canalisation de pompage
elle-même.
La température du fluide chaud est maximum en surface en
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sortie du réchauffeur. Les pertes thermiques et donc la
diminution de la température du fluide sont faibles lors de
la descente dans la canalisation thermiquement isolée. Lors
de la remontée du fluide chaud vers la surface, les échanges
5 thermiques avec la canalisation de pompage sont importants
pour permettre l'échange de chaleur et la température du
fluide diminue fortement.
Ainsi, la chaleur est apportée sur la canalisation de
pompage et le pétrole brut produit dans cette canalisation va
/0 maintenir la température du pétrole lors de la remontée en
surface et empêcher l'apparition de paraffines ou asphaltènes
dans la canalisation de pompage. La température d'apparition
des paraffines peut être comprise entre 25 C et 70 C selon
les hydrocarbures.
/5 Plus la température du gisement est proche de cette
température d'apparition des paraffines, plus il y a un
risque de dépôt de paraffines sur les parois de la
canalisation de pompage. Certains gisements ont une
température supérieure de seulement quelques degrés Celsius à
20 la température d'apparition de la paraffine. Ces cas
nécessite de réchauffer le pétrole dans la canalisation de
pompage proche de l'extrémité de fond de cette canalisation.
Dans le cas d'un pétrole dit lourd, ce maintien en
température permet de maintenir la viscosité du pétrole au
25 même niveau que dans la formation en fond de puits et ainsi
limiter les pertes de charges dans la canalisation de
pompage.
Un autre avantage de l'invention réside dans la maitrise
de l'apport de chaleur au niveau de la section de la
30 canalisation de pompage à réchauffer, afin de maintenir la
température du pétrole produit tout en assurant une
continuité de la production. Le débit et la température du
fluide chaud sont contrôlés en surface et peuvent varier en
fonction de la température minimum acceptable pour le pétrole
35 dans la canalisation de pompage.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait
qu'il n'y a aucun mélange du fluide chaud et des
hydrocarbures récupérés permettant ainsi l'élimination d'une
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station de séparation des hydrocarbures.
Un autre avantage de l'invention réside dans l'absence de
pollution du gisement puisque le fluide chaud ne contamine
pas ce gisement.
Un autre avantage de l'invention réside dans
l'utilisation d'une huile thermique industrielle comme fluide
caloporteur. Le volume d'huile nécessaire dans la boucle
fermée formée par la première et la seconde canalisation est
compris entre 500 litres à 3000 litres. Une telle huile
/0 thermique, standard dans l'industrie, aura une composition
optimisée pour être réchauffée à la température souhaitée,
typiquement 80 C ou jusqu'à 200 C et permettra d'utiliser des
équipements de surface, pompe et réchauffeur, standard dans
l'industrie et moins complexes.
/5 En effet, réchauffer un mélange d'hydrocarbure à des.
températures de l'ordre de 200 C a pour risque de créer des
dépôts solides sur les éléments chauffant de la chaudière
pouvant entrainer une diminution de la puissance de chauffe
voir la montée en température de l'élément chauffant concerné
20 et sa dégradation. Le procédé de chauffage d'une l'huile
thermique sera plus simple puisque la composition de celle-ci
est uniforme et qu'elle sera sélectionnée de sorte de ne pas
créer de dépôts à la température envisagée.
Un autre avantage encore de l'invention réside dans
25 l'utilisation de fluide même polluant. L'installation selon
l'invention permet un contrôle et un ajustement en surface de
la température du fluide chaud, du débit d'injection de ce
fluide chaud en fonction du besoin de chauffe dans la
canalisation de pompage. Ainsi, on empêche ou élimine toute
30 accumulation de paraffine dans la conduite au niveau de sa
partie verticale et/ou au niveau de sa partie horizontale.
Un autre avantage de l'invention est qu'après une
modification de la tête de puits, cette installation est
indépendante des autres équipements standards de production
35 du puits et peut donc être installée et retirée en fonction
des besoins du puits en laissant en place ces équipements
standards de production de fonds de puits et également de
surface.
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Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que
les canalisations permettant la circulation en boucle fermée
du fluide chaud peuvent être réalisées à partir de tuyauterie
enroulée connue sous le vocable anglais coiled tubing . La
canalisation isolée thermiquement à double paroi peut être
produite à partir de deux tuyauteries enroulées et insérées
dans la deuxième canalisation de diamètre plus grand, qui
peut être une tuyauterie enroulée également. Cette triple
canalisation peut être enroulée autour d'une roue pour le
transport et installée en une seule opération par une unité
de coiled tubing dans le puits. Des pièces particulières
sont installées à chaque extrémité des tuyauteries enroulées
pour isoler ou faire communiquer les annulaires comme le
requiert la circulation en boucle fermée.
/5 D'autres caractéristiques, détails et avantages de
l'invention ressortiront plus clairement de la description
détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec
des dessins sur lesquels :
- la figure 1 illustre une installation de réchauffage de
conduits d'extraction d'hydrocarbures selon l'invention, à
partir d'un puits, et
- la figure 2 est une coupe selon AZ de la figure 1,
Un puits de pétrole est le plus généralement constitué de
deux parties essentielles, une enveloppe extérieure (désignée
par le vocable anglais casing) chargée de consolider la paroi
intérieure du puits dans le sol et une conduite interne
(désignée par le vocable anglais tubing) permettant la
remontée du pétrole en surface.
L'invention va maintenant être décrite avec plus de
détails en notant que la figure 1 illustre toute la partie
verticale du puits de forage.
Selon la figure 1, on a représenté un puits d'extraction
de pétrole brut sensiblement vertical comportant une partie
extérieure et une partie en profondeur correspondant au puits
proprement dit.
L'installation de réchauffage 1 selon l'invention
comporte donc un puits vertical foré 2 'consolidé par une
conduite métallique 3 cylindrique. Ce puits est en relation
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avec un gisement profond 12 dans son prolongement.
Cette installation d'extraction 1 d'hydrocarbures à
travers le puits 2 relie la surface à une zone d'extraction
au niveau du gisement 12 situé au fond du puits. Elle
comprend la conduite 3 sensiblement cylindrique consolidant
ledit forage, un moyen d'extraction 4 d'hydrocarbures et des
moyens 5 permettant de faire circuler en boucle fermée un
fluide chaud depuis la surface vers la section de la conduite
7 à réchauffer du puits 2 puis de nouveau en surface.
Dans la conduite métallique 3, on dispose une
canalisation de pompage 7 d'hydrocarbures vers la surface et
des canalisations de chauffage 8 et 11 permettant de faire
circuler un fluide chaud depuis la surface et le long de la
section de la canalisation de pompage à chauffer.
/5 Les moyens d'extraction 4 sont donc constitués d'une
unité d'extraction 6 comportant la canalisation de pompage 7
reliant cette unité au gisement d'hydrocarbures jusqu'au
niveau du gisement profond 12 et d'une pompe de fond de puits
(non représentée) pour l'extraction des hydrocarbures.
Les moyens de circulation en boucle fermée 5 comprennent
dans la conduite 3 une première canalisation de chauffage 8
isolée thermiquement pour injecter depuis la surface du
fluide chaud vers le gisement. Cette canalisation de
chauffage 8 est reliée à une unité 9 de chauffage et
d'injection du fluide chaud en continu par exemple à l'aide
d'une pompe 10.
Cette première canalisation de chauffage 8 est entourée
par une deuxième canalisation de chauffage 11 pour ramener le
fluide chaud vers l'unité 9. Les canalisations de chauffage 8
et 11 constituent avec l'unité 9 de production de fluide
chaud un circuit fermé de circulation en continu de ce fluide
chaud. L'unité de production 9 de fluide chaud est constituée
d'un réservoir de stockage 22 ou vase d'expansion, d'une
pompe 10 et d'un réchauffeur 23 pour assurer une circulation
en continu du fluide chaud dans lesdites canalisations de
chauffage avec un contrôle en continu de la température et du
débit.
Le circuit de fluide chaud est fermé au niveau de
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l'extrémité distale de la deuxième canalisation 11 par une
paroi transversale 18 tandis que la première canalisation 8
est ouverte à son extrémité distale 17. Sur la figure, on
voit que l'extrémité distale 17 débouche au voisinage de la
paroi 18 et à distance de celle-ci.
La longueur des canalisations 8 et 11 dans l'enveloppe 3
est fonction de la zone dans laquelle s'accumule les
paraffines contre la paroi de la conduite 7. Cette zone est
située en général dans la partie haute de la conduite qui est
la zone au niveau de laquelle les hydrocarbures ont subi un
refroidissement important. Cette zone se situe généralement
depuis la surface jusqu'à la profondeur à laquelle
apparaissent les dépôts de paraffines soit 200 à 2000 mètres
de profondeur.
/5 Ainsi, le fluide chaud est injecté par la pompe 10 dans
la canalisation 8 jusqu'à son extrémité distale 17, puis ce
fluide chaud remonte vers l'unité 9 par l'intermédiaire de la
canalisation 11. Il est donc aisé de contrôler la température
du fluide chaud sortant du réchauffeur 23 et le débit
nécessaire de la pompe 10.
Sur la figure, on voit encore que les canalisations 8 et
11 sont insérées dans leur partie verticale dans la
canalisation d'extraction 7 des hydrocarbures.
Sur la figure 2, on a représenté une coupe AA de la
figure 1 sur laquelle on a repris l'enveloppe 3. Dans cette'
enveloppe, on retrouve la canalisation d'extraction 7
entourant les canalisations de chauffage 8 et 11. La première
canalisation 8 est constituée d'un premier tube interne 16
entouré d'un second tube externe 17 concentrique et d'un
isolant 20 logé dans l'espace compris entre ces deux tubes.
Il va de soi que les différents éléments illustrés sur
les figures 1 et 2 ne comportent pas d'échelle et ne sont
représentés qu'a titre illustratif.
L'isolant 20 peut être un matériau pulvérulent
communément utilisé dans ce domaine. Pour renforcer
l'isolation thermique de la canalisation 8, l'espace libre ou
annulaire délimité entre les deux tubes 16 et 17 est soumis à
une pression réduite. Cette pression réduite peut être
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comprise entre 1 et 100 mbar.
Etant donné qu'il s'agit d'un circuit fermé de
circulation, les hydrocarbures ne subissent aucune
contamination par le fluide utilisé.
5 Le fait d'utiliser un fluide chaud confère une double
action. La chaleur permet d'empêcher l'apparition et le dépôt
des fractions solides telles les paraffines et asphaltènes et
de faire fondre les fractions déjà solidifiées ou déposées
lors d'un redémarrage du puits par exemple.
/0 Dans le cas d'un pétrole lourd, la chaleur agit en
maintenant la viscosité des hydrocarbures comme dans le
réservoir. Ainsi, avec une même puissance de pompage, une
quantité plus importante de liquide sera extraite concourant
à l'amélioration de la productivité.
/5 La profondeur du puits pouvant atteindre plusieurs
centaines de mètres (100 à 2000 m), il est indispensable pour
apporter de la chaleur au niveau du gisement, de disposer
d'une canalisation 8 hautement isolée thermiquement.
On a prévu une canalisation 8 isolée thermiquement. La
canalisation 8 est réalisée suivant la technique connue sous
le vocable anglais du pipe in pipe . Entre les deux tubes
16 et 17 est disposé l'isolant 20 comme expliqué
précédemment.
Le premier tube 16, interne, assure le transport du
'fluide chaud. Ce tube 16 est protégé mécaniquement par le
deuxième tube 17 de diamètre plus important concentrique avec
ce premier tube 16 et thermiquement par l'isolant 20.
Plusieurs possibilités sont offertes pour réaliser un
isolant entre les deux tubes 16 et 17. Il est avantageux de
prévoir un isolant 20 résistant à l'écrasement, agissant
comme un écarteur, soit par ses propriétés de résistance à la
compression soit par l'ajout régulier d'écarteurs entre la
première et la deuxième canalisation, pour empêcher les deux
tubes 16 et 17 de venir en contact l'un de l'autre. Un
matériau microporeux peut être utilisé comme isolant entre
les tubes 16 et 17.
Ce matériau microporeux, du type de celui décrit dans le
brevet FR-2746891, est avantageusement obtenu en comprimant
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une poudre par exemple de silice pyrogénée.
Un tel matériau microporeux comprimé présente
avantageusement une densité comprise entre 180 et 400 kg/m3.
Les capacités thermiques isolantes d'un tel matériau sont
nettement améliorées lorsqu'il est placé dans l'annulaire
sous faible pression entre les deux tubes 16 et 17.
On peut également réaliser un isolant 20 en prévoyant un
super-isolant multicouche constitué d'écrans réflecteurs
intercalant des couches de poudre tel que décrit dans le
/0 brevet FR-2862122. Les écrans sont constitués par une feuille
réflectrice, par exemple d'aluminium, sur laquelle la poudre
est déposée, enroulée en spirale sur elle-même.
La poudre présente une granulométrie sensiblement égale à
40 pin, des pores dont la taille est de l'ordre de grandeur du
/5 libre parcours moyen des molécules du gaz dans lequel cette
poudre est placée et une densité comprise entre 50 et 150
kg/m3. Les capacités thermiques isolantes d'un tel matériau
sont nettement améliorées lorsqu'il est placé dans
l'annulaire sous faible pression entre les deux tubes 16 et
20 17, entre 10-2 et 1 mbar
Cet isolant, n'ayant pas de propriétés de résistance à la
compression suffisantes, nécessite l'ajout d'écarteurs
régulièrement entre les tubes 16 et 17. Le matériau utilisé
pour réaliser ces écarteurs doit présenter un bon
25 comportement isolant. Un tel matériau peut avantageusement
être un matériau microporeux tel que décrit ci-dessus.
La canalisation de chauffage 8 telle que décrite
précédemment en relation avec les figures 1 et 2 permet un
apport de chaleur suffisant pour rendre suffisamment fluide
30 les hydrocarbures avec une chaudière de 5 à 500 KW.
L'installation 1 selon l'invention permet d'assurer un
fonctionnement en continu et d'éviter les apparitions de
dépôts sur la canalisation de pompage. Ceci permet
d'augmenter la production de pétrole brut de 20 à 100% et
35 d'éviter toute pollution des gisements.
A titre indicatif, une canalisation 8 selon l'invention
peut être constituée d'un tube externe 17 de 33 mm de
diamètre extérieur avec une épaisseur de 2 mm et un tube
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interne 16 de 13 mm de diamètre extérieur avec une épaisseur
de 2 mm et est apte à transporter 20 kW à 200 C sur une
distance globale de 1000 mètres.
A titre indicatif encore, une canalisation 8 constituée
d'un tube externe 17 de 60 mm de diamètre et d'épaisseur 5 mm
et d'un tube interne 16 de 33 mm de diamètre externe et
d'épaisseur 4 mm transportera facilement 200 kW à 200 C sur
une distance globale de 2000 mètres.
La longueur des canalisations 8 et 11 est fonction de la
/0 section de la canalisation 7 dans laquelle s'accumule les
paraffines contre la paroi. Cette section est située en
général dans la section haute de la conduite qui est la zone
au niveau -de laquelle les hydrocarbures ont subi un
refroidissement important mais peut également se propager en
/5 profondeur. Cette section se situe généralement sur une
distance comprise entre la surface et 100 à 2000 m de
profondeur.
Dans le cas d'un pétrole lourd, la longueur des
canalisations 8 et 11 peut également varier de la surface
20 jusqu'à l'extrémité de la canalisation 7 en fonction de la
puissance nécessaire à apporter pour maintenir la température
du pétrole produit.
Dans le cas, où il n'y a pas de pompe de fond de puits,
les canalisations 8 et 11 peuvent se prolonger au-delà de
25 l'extrémité de la canalisation 7, dans l'enveloppe 3 pour
avoir une action thermique sur les perforations de la crépine
ou drain, à l'extrémité de l'enveloppe 3 ainsi que sur le
gisement.
Ainsi, le fluide chaud est injecté par la pompe 10 dans
30 la canalisation 8 jusqu'à son extrémité distale 17, puis ce
fluide chaud remonte vers l'unité 9 par l'intermédiaire de la
canalisation 11. Il est donc aisé de contrôler la température
du fluide chaud et le débit nécessaire de la pompe 10.
Sur les figures 1 et 2, on voit encore que les
35 canalisations de chauffage 8 et 11 sont insérées dans leur
partie verticale dans la canalisation 7 de pompage des
hydrocarbures.
