CA2149832A1 - Pompe polyphasique bi-turbojets - Google Patents

Pompe polyphasique bi-turbojets

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CA2149832A1 CA002149832A CA2149832A CA2149832A1 CA 2149832 A1 CA2149832 A1 CA 2149832A1 CA 002149832 A CA002149832 A CA 002149832A CA 2149832 A CA2149832 A CA 2149832A CA 2149832 A1 CA2149832 A1 CA 2149832A1
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Abstract

- Dispositif de pompage à échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide pompé comportant au moins un premier éjecteur propulsant ledit fluide moteur dans une direction et au moins un second éjecteur propulsant ledit fluidemoteur dans une seconde direction de façon que la poussée axiale induite par un jet émis dans la première direction compense au moins partiellement celle d'un jet émis dans la seconde direction par un autre éjecteur.

Description

2149~2 La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant d'augmenter la performance du pompage et de la poussée pour des dispositifs dans lesquels on utilise un fluide induit pour entraîner un autre fluide par destransferts directs de moment et d'énergie .

Le brevet US-4,485,518 de FOA décrit une méthode et un dispositif dans lesquels on effectue un transfert direct d'énergie de manière efficace entre un fluide primaire ou fluide moteur et un fluide que l'on souhaite transférer sur un certaine distance. L'amélioration apportée par FOA par rapport au brevet US-3,046,732 du même demandeur consiste à séparer le fluide moteur en deux parties, à éjecter une première partie à travers des orifices situés sur un rotor vers un fluide à transporter, et à utiliser le jet de fluide résultant de la seconde partie du fluide moteur passant par un orifice central pour entraîner la première partie du fluide moteur et le fluide à transporter. Cette manière de procéder minimise les cisaillements pouvant apparaître dans un fluide à la surface d'une pièce mécanique et donc d'éventuels fluides de retour qui diminuent l'efficacitéde pompage d'un tel dispositif. Les roulements et les butées permettant la rotation du rotor sont en contact avec le fluide à transporter.

L'utilisation de tels roulements est mal adapté dans des applications pour lesquelles les fluides possèdent des énergies élevées. En effet, la vitesse de rotation du rotor associée au sens unique d'éjection de fluides possédant des valeurs de puissance élevées, conduisent à une usure rapide des roulements et des butées.
De plus la présence de particules, par exemple des particules solides telles que du sable, diminuent la fiabilité d'un tel dispositif.

La présente invention vise à pallier de tels inconvénients et notamment à
améliorer la durée de vie des pièces permettant d'assurer la rotation d'un rotorpar rapport à une enveloppe où il se trouve positionné lorsque les fluides utilisées possèdent des puissances élevées.

Ainsi la présente invention a pour objet une machine simple, robuste et fiable permettant d'améliorer les dispositifs de poussée et de pompage, notamment en évitant l'usure de pièces sollicitées par des poussées axiales importantes résultant de fluides ayant des énergies élevées.
Elle peut notamment être utilisée dans le domaine de la production de bruts lourds.

- ~;149832 En accord avec la présente invention, le dispositif permettant d'obtenir un tel résultat comporte une pièce libre de tourner autour d'un axe, la pièce comportant au moins deux éjecteurs, ladite pièce étant reliée à un conduit d'introduction d'un fluide moteur sous pression, une enveloppe fixe positionnée autour de ladite pièce libre de tourner de manière à créer un espace de mélange entre ledit fluide moteur et un fluide primaire, ladite pièce étant munie d'au moins un orifice d'introduction dudit fluide primaire dans l'espace de mélange. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un premier moyen propulsant au moins une partie du fluide moteur dans une première direction et au moins un 10 second moyen propulsant une partie au moins dudit fluide moteur dans une seconde direction de façon que la poussée axiale induite par un jet émis dans lapremière direction compense au moins partiellement celle d'un jet émis dans la seconde direction par un autre éjecteur.

Le premier moyen et le second moyen forment respectivement un angle a et 1 80-o~ par rapport à l'axe pour que la direction du premier jet et la direction du second soient opposées.

La pièce libre de tourner est, par exemple, maintenue par rapport au 20 conduit d'introduction du fluide moteur à l'aide de paliers et de butées fluides.

Le nombre d'éjecteurs est pair et peut être choisi en fonction d'au moins une caractéristique du fluide moteur.

Le dispositif peut comporter un dispositif de prélèvement du fluide primaire relié au conduit d'introduction dudit fluide moteur.

Le dispositif peut être situé à l'intérieur d'une conduite ou casing, et/ou entre deux éléments d'une conduite.
La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 d'introduction du fluide à
pousser sont, par exemple, déterminés à partir d'au moins une caractéristique du fluide primaire.

La présente invention concerne aussi une méthode permettant de communiquer à un fluide primaire une certaine énergie par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et ledit fluide primaire. Elle est caractérisée en ce que l'on éjecte ledit fluide moteur sous forme de plusieurs sous jets 21~983%

sensiblement simultanément dans une première direction et une seconde direction de façon à ce que la poussée induite par un jet émis dans la première direction équilibre sensiblement celle d'un jet émis dans la seconde direction.

On éjecte lesdits sous jets dans des directions sensiblement opposées.

La méthode et le dispositif de mise en oeuvre de la méthode est particulièrement bien appliquée au pompage d'un fluide polyphasique comportant une phase gazeuse, et une phase liquide et une phase solide, telle que du sable, notamment le pompage d'un effluent de type pétrolier provenant d'un puits.

Les différents avantages apportés par l'invention résident notamment dans une augmentation de la durée de vie de pièces mises en rotation, par exemple par des fluides ayant des valeurs de pression très élevées.

La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les figures suivantes parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre l'art antérieur constituant le brevet US 4,239,155, - la figure 2 illustre un mode de réalisation préférentiel selon l'invention, et- la figure 3 schématise le dispositif utilisé comme Booster pour pousser un effluent en écoulement dans une conduite.

L'art antérieur décrit sur la figure 1 comporte un dispositif à jets tournant dans lequel un fluide moteur sous pression P est introduit par un conduit 1' dans un rotor 2' dans lequel une partie majoritaire du fluide moteur ressort à travers des éjecteurs 3' situés sur le rotor sous forme de jets ayant une direction inclinée pour que les jets ainsi obtenus mettent et maintiennent en rotation le rotor 2'. Le rotor est supporté par une enveloppe extérieure fixe 7' par l'intermédiaire de roulements 8' assurant la rotation du rotor 2'. Une autre partie du fluide moteur passe à travers un conduit central 10' pour être ensuite mélangé à un fluide auxiliaire introduit par des orifices situés dans l'enveloppe 7'. Un espace d'interaction 5' permet le mélange de la partie dérivée par les éjecteurs 3' et du mélange passant délivré par le jet central J avec le fluide primaire K.
Un tel dispositif est mal adapté lorsque le fluide moteur utilisé possède une pression élevée et lorsque la vitesse de rotation du rotor est élevée, du fait de la - 2i49832 présence de roulements qui s'usent très rapidement du fait du mouvement de rotation et de la puissance des jets.

La figure 2 montre un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention qui améliore l'art antérieur précité, notamment en minimisant l'usure des piècesmises en rotation.

Le dispositif selon l'invention est par exemple positionné dans une conduite ou casing 1 dans lequel circule un fluide appelé par la suite fluide 10 primaire auquel on veut communiquer une certaine énergie pour le transférer d'un endroit à un autre.
Le dispositif est maintenu par rapport au casing 1 à l'aide d'une pièce 2 et comporte un conduit interne ou conduit d'introduction 3 dans lequel un fluide moteur sous pression provenant d'une source extérieure non représentée est introduit. Une pièce 5 ayant de préférence une forme d'enveloppe cylindrique est positionnée par exemple de façon coaxiale par rapport à l'axe A du conduit d'introduction 3. Le diamètre interne de l'enveloppe cylindrique 5 est supérieure au diamètre externe du conduit d'introduction 3, pour créer un espace annulaire E entre ces deux pièces. Des orifices 7 percés sur le conduit d'introduction 3 20 laissent passer le fluide moteur vers cet espace annulaire E. La liaison de la pièce 5 avec la conduite d'introduction 3 est assurée, par exemple, par un ensemble 6 pouvant être formé par un palier fluide et une butée fluide, ce type de paliers et de butées minimisant les frottements existant entre les pièces en rotation telles les pièces 3 et 5.
La pièce 5 comporte aussi au moins deux moyens d'éjection, tels que des éjecteurs 8a et 8b, permettant d'éjecter le fluide moteur de l'espace annulaire E
vers le fluide primaire circulant dans le casing 1.
La pièce 5 est libre en rotation. Du fait de ce mouvement de rotation, les jets de fluide sortant des éjecteurs 8a et 8b prennent les formes d'hélicoïdes qui 30 permettent de transférer de l'énergie au fluide primaire à pousser.
Une enveloppe cylindrique fixe 9, est disposée, de préférence coaxiale à
la pièce 5, et maintenue par rapport à cette dernière par exemple grâce à une pièce 10 assurant son centrage inférieur et une pièce 11 assurant son centrage supérieur. La pièce 5 et l'enveloppe 9 sont positionnées de façon à créer un espace de mélange 12. Dans cet espace 12 le fluide moteur introduit par les éjecteurs 8a et 8b sous forme de deux sous-fluides F1 et F2, les quantités de F1et F2 étant sensiblement identiques, se mélangent au fluide primaire circulant dans le casing 1, introduit dans l'espace de mélange 12 comme il est décrit ci-21 49~32 après. On obtient ainsi deux sous mélanges ayant des directions de circulationdans l'espace 12 sensiblement opposées.
Une pièce 15, tel qu'un tubing, forme la paroi extérieure du dispositif. Elle est pourvue d'orifices 14 et d'orifices 13 situés respectivement de chaque côté
des parois et du tubing et communiquent entre eux grâce par exemple à des inserts 16 reliant un orifice 13 à un orifice 14. Ainsi le fluide primaire circulant dans le casing 1 passe à travers un orifice 14, un insert 16 et un orifice 13, avant de pénétrer dans l'espace de mélange 12. Les trois pièces 13, 14 et 16 sont de préférence, alignées.
Lorsque la pièce 2 de maintien du dispositif de pompage par rapport au casing est un "packer étanche", isolant la pièce 15 du casing 1, I'écoulement deretour se faitl par exemple, dans l'espace annulaire 19 compris entre le casing 1 et le conduit d'introduction 3 du fluide moteur.
Selon un autre mode de réalisation, la pièce 2 est une pièce de centrage du tubing 15 dans le casing 1. L'écoulement de retour s'effectue alors dans l'espace annulaire 1b compris entre le tubing 15 et le conduit d'introduction 3,pouvant être un "coil tubing".
Les deux sous-fluides moteur F1 et F2 aspirent le fluide primaire introduit dans l'espace 12 et l'entraînent en formant deux sous-mélanges M1 et M2 ayant 20 des directions de circulation sensiblement opposées.
Le sous-mélange M1 ressort par exemple par une des extrémités de l'espace de mélange 12 pour passer ensuite dans l'espace 18 formé par les pièces 9 et 15. Il débouche dans une conduite 1b reliant les espaces 12 et 18 à
la conduite de circulation 1.
Le sous-mélange M2 ressort par l'extrémité opposée à la précédente directement, par exemple, dans la conduite 1 b.
La pièce 15 est reliée au conduit d'introduction 3 central du dispositif, par exemple, par l'intermédiaire d'une pièce 17 assurant notamment l'étanchéité
des différentes pièces 3, 5, 9, 15 du dispositif entre elles. L'agencement de ces 30 pièces et l'étanchéité obtenue à l'aide de la pièce 17 sont tels que le fluide moteur passe principalement par les éjecteurs 8a et 8b en produisant deux sous fluides F1 et F2, et que la majorité des sous-mélanges M1 et M2 passent de l'espace de mélange 12 vers l'espace annulaire 18 ou directement dans la conduite 16. Les sous-fluides F1 et F2 et les deux sous-mélanges Ml et M2 sont ainsi canalisés.
Les éjecteurs 8a et 8b font, par exemple, un angle avec l'axe longitudinal A
du dispositif, respectivement a et (180 - a), de façon que les jets de fluide moteur éjectés dans l'espace de mélange situé entre les pièces 5 et 9, par les 214g8~2 éjecteurs 8a possèdent une direction sensiblement opposée à celle des jets de fluide moteur passant par les éjecteurs 8b. Cette manière de procéder permet d'équilibrer la poussée de fluide résultant de l'énergie élevée des jets provenant des éjecteurs 8a ayant une première direction par celle des fluides provenant des éjecteurs 8b ayant une seconde direction.
Du fait de l'angle d'inclinaison a et (180 - a) des éjecteurs 8a et 8b, et du mouvement de rotation de la pièce 5, les jets de fluide moteur sont issus des éjecteurs 8a, 8b par exemple sous une forme hélicoïdale. Ces jets ont ainsi une fonction sensiblement identique à la fonction de pâles mécaniques 10 habituellement utilisées dans les dispositifs de poussée, tout en évitant les problèmes mécaniques pouvant être rencontrés.
Le nombre des jets de fluide moteur ayant des directions opposées et produits par un dispositif selon l'invention, est, de préférence, un nombre pair.
Un tel choix confère au dispositif une symétrie car les jets de sous fluides émis dans chacune des directions sont identiques, ce qui équilibre sensiblement les poussées résultant de la puissance des jets du fluide moteur, telles que les poussées axiales.

Le nombre des éjecteurs 8a, 8b est par exemple choisi en fonction du 20 fluide moteur, par exemple en fonction de sa viscosité.
La paroi interne de la pièce 15 située au voisinage de la pièce 17 comporte par exemple trois parties 1 5a, 1 5b et 1 5c.
La partie 15c s'adapte à la pièce d'étanchéité 17. Elle est prolongée de part et d'autre par des parties 1 5a ayant de préférence une forme arrondie, lesparties 15a étant elles-mêmes prolongées par des parties 15b.
La forme arrondie des partie 1 5a est adaptée pour que le passage du sous mélange M1 de l'espace 12 vers l'espace 18 s'effectue avec un minimum de pertes de charges et en évitant les effets de cisaillement.

L'utilisation d'un tel système symétrique comportant au moins deux éjecteurs 8a, 8b produisant des jets de fluide moteur dans des directions sensiblement opposées, minimise le déséquilibre résultant de la poussée, par exemple la poussée axiale, qui peut être importante lorsque les fluides ont des valeurs de pression importante.

Le nombre des jets de fluide moteur créés pour propulser le fluide primaire est fonction de l'énergie à transmettre au fluide primaire car on limite volontairement la vitesse de sortie des jets moteurs pour diminuer fortement les - - 21~9832 phénomènes d'usure par abrasion et éviter les phénomènes de cavitation, tous deux préjudiciables à une bonne fiabilité du dispositif.

L'angle d'inclinaison a et (180 - a) des éjecteurs 8a et 8b par rapport à
l'axe A du dispositif peut être choisi en fonction de la vitesse de rotation souhaitée pour les jets de fluide moteur afin d'obtenir le rendement énergétiqueoptimal lors du transfert d'énergie entre le fluide moteur et le fluide primaire.
Le fluide moteur est généralement un fluide ayant une faible viscosité par rapport à la viscosité du fluide primaire. La proportion du fluide moteur est 10 choisie en fonction de la viscosité du fluide primaire afin d'obtenir un mélange (fluide moteur- fluide primaire) transportable sans perte de charges excessives liées à la viscosité du mélange.
La proportion de fluide moteur introduit dans l'espace de mélange 12 est contrôlée, par exemple, par le nombre d'orifices 7 positionnés sur le conduit d'introduction 3 et par le nombre d'éjecteurs 8a et 8b.

Il est aussi possible de contrôler l'introduction du fluide primaire en choisissant le nombre des orifices 13 et 14.
Pour des fluides primaires visqueux, cette manière de procéder est 20 avantageuse et permet d'obtenir une meilleure fluidité du mélange si la disponibilité en fluide moteur est limitée.

La dimension et la géométrie des orifices 13 et 14 est déterminée en fonction de la nature du fluide primaire à propulsion et de la pression de ce fluide. Ainsi pour un fluide polyphasique de type pétrolier il est souhaitable de tenir compte de la présence éventuelle de particules solides.

Le fluide moteur peut être un fluide de type miscible ou non. Il peut inclure des produits tels des inhibiteurs habituellement utilisés par exemple dans le 30 domaine pétrolier, des produits anticorrosion, des anti hydrates, des produits capables d'éviter la formation des asphaltènes ou de tout autres dépôts résultant, notamment des changements de pression et de température. La présence de tels produits améliore la fiabilité des dispositifs de pompage.
Le fluide moteur peut être prélevé à partir du fluide primaire circulant dans la conduite 1.
Le dispositif comporte un système (non représenté) permettant de prélever une certaine quantité de fluide primaire et de le porter à une valeur de pression suffisante pour qu'il puisse servir de fluide moteur (recyclage).

- 21498~2 -Le présent dispositif peut être positionné à l'extrémité, par exemple d'un coil-tubing introduit dans des puits verticaux ou horizontaux d'effluents de type pétrolier.

La figure 3 schématise un exemple d'application du dispositif utilisé
comme "booster".
Avantageusement, le dispositif selon l'invention est utilisé comme "booster"
pour le transport d'effluents pétroliers en écoulement dans une conduite, par 10 exemple d'une source telle qu'un puits vers un lieu de traitement.
La figure 3 montre le dispositif décrit à la figure 2 positionné dans la conduite 1 par exemple. Le dispositif est maintenu à la conduite 1 par des moyens tels des packers 20. La conduite 1 comporte, par exemple, une ouverture permettant le passage du conduit 3 d'arrivée du fluide moteur provenant d'une source extérieure.

Le dispositif ainsi positionné permet de communiquer de l'énergie à un fluide en circulation dans la conduite dans le sens par exemple représenté par la flèche P.
L'effluent pétrolier à propulser ou fluide primaire circulant dans la conduite 1 selon le sens indiqué par exemple par la flèche P, passe à travers le dispositif comme il a été décrit à la figure 2 dans lequel il acquiert une certaine quantité
d'énergie. Lors de ce mélange, il y a eu échange direct d'énergie entre le fluide moteur et le fluide primaire, le mélange ressort alors à l'extrémité 21 du dispositif avec une énergie suffisante assurant son transport jusqu'à un lieu de traitementou de réception par exemple, non représenté.

Claims (10)

1) Dispositif de pompage à échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide primaire ou fluide pompé comportant une pièce libre de tourner autour d'un axe A, ladite pièce comportant au moins deux éjecteurs, ladite pièceétant reliée à un conduit d'introduction d'un fluide moteur sous pression, une enveloppe fixe positionnée autour de ladite pièce libre de tourner de manière à
créer un espace de mélange entre ledit fluide moteur et ledit fluide primaire, ladite pièce étant munie d'au moins un orifice d'introduction dudit fluide primaire dans l'espace de mélange, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier moyen (8a) permettant d'éjecter au moins une partie dudit fluide moteur dans une première direction et au moins un second moyen propulsant une partie au moins dudit fluide moteur dans une seconde direction de façon que la poussée induite par le premier jet émis dans la première direction compense au moins partiellement celle du second jet émis dans la seconde direction.
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier moyen et le second moyen forment respectivement un angle .alpha. et 180°-.alpha. avec l'axe A pour que la direction du premier jet et la direction du second jet soient sensiblement opposées.
3) Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que ladite pièce libre de tourner est maintenue par rapport audit conduit d'introduction dufluide moteur à l'aide de paliers et de butées fluides.
4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de moyens, tels des éjecteurs, est pair et en ce que ce nombre est choisi en fonction d'au moins une caractéristique du fluide moteur.
5) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de prélèvement d'au moins une partie du fluide moteur à partir du fluide primaire relié au conduit d'introduction dudit fluide moteur.
6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est situé à l'intérieur d'une conduite ou casing, et/ou entre deux éléments d'une conduite.
7) Méthode permettant de communiquer à un fluide primaire une certaine énergie par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et ledit fluide primaire, caractérisée en ce que l'on éjecte ledit fluide moteur sous forme de plusieurs sous jets sensiblement simultanément dans une première direction et une seconde direction de façon à ce que la poussée induite par un jet émis dans la première direction équilibre sensiblement celle d'un jet émis dans la seconde direction.
8) Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'on éjecte lesdits sous jets dans des directions sensiblement opposées.
9) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications précédentes au pompage d'un fluide polyphasique comportant une phase gazeuse, une phase liquide et une phase solide, telle que du sable.
10) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications précédentes au pompage d'un effluent de type pétrolier provenant d'un puits.
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