EP0373202B1 - Dispositif de pompage d'un fluide polyphasique a piston et applications de ce dispositif - Google Patents

Dispositif de pompage d'un fluide polyphasique a piston et applications de ce dispositif Download PDF

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EP0373202B1
EP0373202B1 EP89905416A EP89905416A EP0373202B1 EP 0373202 B1 EP0373202 B1 EP 0373202B1 EP 89905416 A EP89905416 A EP 89905416A EP 89905416 A EP89905416 A EP 89905416A EP 0373202 B1 EP0373202 B1 EP 0373202B1
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piston
fluid
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chamber
cylinder
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth
    • F04B47/08—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth the motors being actuated by fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B15/00—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts
    • F04B15/06—Pumps adapted to handle specific fluids, e.g. by selection of specific materials for pumps or pump parts for liquids near their boiling point, e.g. under subnormal pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B9/00—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members
    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
    • F04B9/10—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid
    • F04B9/109—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers
    • F04B9/117—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers the pumping members not being mechanically connected to each other
    • F04B9/1172—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid the fluid being liquid having plural pumping chambers the pumping members not being mechanically connected to each other the movement of each pump piston in the two directions being obtained by a double-acting piston liquid motor

Definitions

  • the invention relates to a device for pumping a multiphase fluid in particular suitable for the production of hydrocarbons in environments where human intervention is difficult, if not impossible, and which requires, among other things, high reliability of the equipment. .
  • the invention applies, in particular, to the production of hydrocarbons from at least one submerged wellhead equipping a deposit, such as a deposit located offshore, these hydrocarbons comprising a multiphase mixture, generally gas- hydrocarbon-water liquid, under pressure.
  • the invention also applies, in particular, to the production of hydrocarbons from at least one wellhead disposed in an environment difficult to access, such as virgin forest.
  • the device according to the invention allows in particular the pumping of a liquid phase and a gaseous phase in a single pipe and thereby avoids the use of a phase separator and two separate pipes for the transport of fluids pumped separately.
  • the device according to the invention is also suitable for pumping a multiphase fluid comprising a dispersed solid phase, such as sand or rock debris.
  • Patent FR-330,433 describes a device suitable for discharging a liquid, the evacuation of the vapors of this liquid taking place via an evacuation duct separate from the liquid delivery duct.
  • the device according to the present invention makes it possible to pump multiphase fluids while retaining good efficiency.
  • the device for pumping a multiphase fluid comprises, in combination, a pipe for supplying the fluid to be pumped and a pipe for discharging the pumped fluid, at least one variable-volume chamber adapted to pump the fluid comprising at least a fluid supply orifice, this chamber being defined by a cylinder head, a cylinder and a piston.
  • the piston moves along the longitudinal axis of the cylinder in the cylinder and has a housing opening onto an upper part of the piston, the cylinder head has a projection penetrating into said housing when said piston approaches said cylinder head.
  • the piston and the cylinder head have complementary shapes cooperating together to produce a jet of fluid directed towards at least one exhaust port of the multiphase fluid, said room having a flared shape over a substantial part of its height, the largest section of said part being located on the side of said cylinder head.
  • the supply orifice is, for example, disposed at an apex of said projection.
  • the housing and the projection may have substantially complementary frustoconical shapes.
  • the housing and said room may be arranged in the vicinity of the axis of said cylinder.
  • the chamber may include a fluid supply orifice disposed at the top of said projection.
  • the cylinder head may comprise at least two exhaust orifices arranged at substantially equal distances from the axis of said cylinder.
  • the device according to the invention further comprises at least a first motor member adapted to move said piston in said cylinder, and a casing enveloping at least the space swept by the piston, this space is placed opposite to said chamber with respect to to the piston.
  • This housing contains a gaseous fluid.
  • the first drive member may be a first hydraulic cylinder.
  • the device according to the invention may include a second variable volume chamber adapted to pump said fluid.
  • This second chamber is defined by a second cylinder head, a second cylinder and a second piston.
  • the second piston moves along the longitudinal axis of said second cylinder in said second cylinder.
  • the casing further envelops the space swept by the second piston, this space being opposite the second chamber relative to said second piston.
  • the movements of at least the first and second pistons are adapted so that the pressure of said fluid in said housing is substantially constant.
  • This device may also include a second hydraulic cylinder, the first cylinder being secured to the first piston, the second cylinder will be secured to said second piston.
  • it may include means for controlling the first and second actuator adapted to reduce the volume of the first chamber while increasing the volume of the second chamber and adapted to reduce the volume of the second chamber while increasing the volume of the first bedroom and this alternately.
  • the control means can trigger the increase in volume of one of the two chambers only if the other of the two chambers has reaches its maximum volume, and the control means can trigger a reduction in the volume of one room only if the other of the two rooms has reached its maximum volume.
  • the device according to the invention may comprise a high pressure generator delivering hydraulic fluid under high pressure and a low pressure generator delivering hydraulic fluid under a pressure lower than said high pressure, said high pressure generator supplying each of said jacks when they produce a reduction in the volume of their associated chamber, said low pressure generator supplying each of said jacks when they produce an increase in the volume of their associated chamber.
  • Said casing according to the invention can be closed and communicate only with the suction pipe or only with the discharge pipe.
  • the device according to the invention may have the first or the second cylinder which comprises a body, this body possibly being at least partially outside the casing.
  • the device according to the invention may include several pumping chambers, but in even number.
  • the casing may be waterproof.
  • the above device could advantageously be applied to the pumping of a multiphase effluent comprising a dispersed solid phase. It is for example applied to the pumping of petroleum effluents, and in particular to the aquatic production of these effluents, such as marine production, the device being located at the bottom of an aqueous medium as well as to terrestrial production in hostile medium.
  • the reference 1 designates as a whole a first pumping element of the device according to the invention, the reference 1a being relative to a second pumping element of this same device identical to the first element.
  • This pumping element 1 comprises a chamber 2 delimited by a cylinder head 3, a cylinder 4 and a piston 5.
  • the piston 5 slides in the cylinder 4 by means of a jack 6 coupled by the rod 7 of the jack 6 and an axis 8
  • the piston comprises sealing means 9, such as segments or such as lip seals used for example on the mud pump pistons, which cooperates with the cylinder 4 to ensure the compression of the fluid.
  • the cylinder head 3 has a projection 10 located on the axis of the tapered cylinder flared at its base 10a, and a fluid supply port 11 at its top 10b.
  • the supply orifice 11 comprises a seat which can be closed off by a valve 12 during the filling phase of the chamber 2 so as to allow the fluid coming from the supply duct 13 to penetrate therein.
  • the fluid penetrates into the chamber due to the difference in the pressure forces existing on either side of the valve 12 and which is sufficient to oppose the return means 14 of the valve 12.
  • the fluid which is compressed by decreasing the volume of chamber 2, escapes from chamber 2 through four discharge orifices 15 provided with non-return valves 16 comprising valves 17 cooperating with seats integral with the cylinder head and springs 18 ensuring the obturation of the evacuation orifices during the supply phase of the chamber 2.
  • the evacuation orifices 15 are connected to an evacuation pipe 19.
  • the projection 10 penetrates into the housing 20 of the piston so as to produce a jet of fluid directed towards the discharge orifices 15.
  • the substantially complementary and frustoconical shapes of the housing 20 and the projection 10 allow the production of a high speed jet on the walls of the housing 20 of the piston 5, of the cylinder head 3 (in particular of its projection 10) and of the cylinder 4 so as to facilitate the evacuation of the fluid and the cleaning deposits which would become encrusted there for lack of this advantageous provision.
  • the central arrangement of the projection 10 and of the housing 20 also allows a distribution of the fluid, as soon as it is introduced into the chamber, favorable to its compression.
  • the jack 6 is connected through two orifices 21 and 22 to hydraulic generators adapted to produce the movements of the jack and the variations in volume of the chamber 2.
  • the element 1 of the pumping device further comprises a casing, designated 23 as a whole, which envelops the space swept by the piston 5 and opposite with respect to the piston 5, to the chamber 2, as well as the free space between the piston and the body or fixed part of the cylinder 6.
  • This casing 23 communicates with the homologous casing 23a of the pumping element 1a.
  • the housings 23, 23a ... of the elements contain gaseous fluid, the pressure of which is in particular adapted to reduce or even cancel the leaks of multiphase fluid between the chamber 2 and the casing, and / or to reduce the thickness of the casing (s) 23, 23a ... having to withstand the possible hydrostatic pressure of the environment surrounding the pumping device.
  • this external pressure can be that produced by a seawater column 1000m high.
  • this pressure can be that of the supply line or that of the discharge line.
  • the casing can be connected to, or even traversed by, one or the other of these pipes.
  • the leaks of fluids between the chamber 2 and the casing 23 can then mix with the fluid pumped or to be pumped.
  • FIG. 2 represents in section a pumping device comprising four elements and arranged in a pumping module which can be submerged at the bottom of the sea, for example to a depth of 100m.
  • the pumping module 25 is adapted to be positioned on a base 26 by means of four guide posts integral with the base cooperating with guide cones integral with the module. The descent of this module on the base is guided by guide lines mounted at the tops of the posts, the lines cooperating with said guide cones.
  • a connector 27 crossed by a supply pipe for the pumping device, and which comes from the wellhead or from a wellhead assembly and by the fluid discharge pipe. pumped which rises to the surface of the water directly or after a trip to the bottom of the water.
  • This connector 27 cooperates with a collar 28 integral with the pumping module 25.
  • the supply line 13 joins the casing 23 of the first pumping element.
  • the pumped fluid passes through the casings 23 and 23b of a third pumping element as well as the assembly flange 24 before being led by the line 13 to a distribution box 29 which distributes the fluid in each of the pumping chambers.
  • the fluid leaves the different chambers via the pipes 19, collects in different collection boxes 30, 31 before being directed, still through the discharge pipe to the collar 28 and the connector 27.
  • the pumping module also comprises a hydraulic unit 32, an electrohydraulic container 33, a flexible tarpaulin container 34 and an electronic container 35 all arranged under the pumping chambers between the bodies of the jacks.
  • the hydraulic unit 33 transforms the electrical energy coming from the surface into hydraulic energy allowing the displacements of four jacks (6, 6a, 6b and the one not shown).
  • the electro-hydraulic container 32 distributes the hydraulic fluid between the hydraulic unit 33 and the jacks 6, 6a, 6b, and that not shown.
  • the flexible tank container 34 serves as an expansion tank and a storage tank for the hydraulic fluid.
  • the electronic container 35 includes the control and measurement circuits of the various sensors, valves of the pumping module.
  • the container 35 comprises in particular the circuits for controlling the movements of the jacks, the openings and closings of the valves, the electronic circuits of the pressure, temperature, flow and pollution sensors.
  • the upper part of the module includes a shield 36 ensuring the protection of the module against falling objects such as drill pipes.
  • the conical shape of the shield 36 makes it possible to use its concave part 37 as an oil trap against pollution.
  • the shield 36 is surmounted by a connector 38 making it possible to hold and manipulate the pumping module by a cable or by a string of rods.
  • the fixing of the various members of the module and the rigidity of the latter is notably ensured by the support tubes 39, the floors 40, 41, 42.
  • Figure 3 shows schematically the hydraulic control of two cylinders 6, 6a associated with the control device.
  • the actuators of the device are paired so that the pressure in the casing does not vary due to variations in the volume of the fluid therein, the variations in volumes being produced by the movement of the pistons in the cylinders.
  • the hydraulic unit comprises a high pressure hydraulic generator 50 with a flow rate which can vary but operates at constant flow rate for given production conditions of the multiphase fluid.
  • This generator 50 supplies the hydraulic energy (1 MW) necessary for pumping the fluid during the compression-evacuation phase.
  • the power station further comprises a hydraulic generator 51 with a flow rate that can vary but used at a constant flow rate for the above production conditions.
  • This generator 51 provides the energy necessary to supply the chambers 67 for returning the actuator rod and to increase their volume.
  • a hydraulic servo generator 52 supplies the fluid necessary for controlling the distribution of the hydraulic fluid of the jacks. These three generators 50, 51, 52 are driven by a motor 53 arranged in an equipression enclosure with the hydraulic unit. 32 in which he is found.
  • Each of these generators 50, 51, 52 is provided with a filter having a safety bypass 50a, 51a, 52a respectively and with a differential valve 50b, 51b, 52b limiting the discharge pressure.
  • the suction of these pumps is carried out through a filter 54 having a safety bypass in the enclosure of the hydraulic unit 32 serving as a rigid cover for the hydraulic fluid.
  • This rigid cover is connected to a flexible cover 55 placed in the container 34.
  • Each of the jacks 6, 6a has end-of-travel sensors, 56a, 57a, 57a, for example of the magnetic type, which allow the movements of the jacks to be controlled by one another.
  • This center 59 which is supplied with hydraulic fluid by the pump 52 and the capacity 60 disposed in bypass of the pump, controls the operation of the distributors 61, 62, 63, 64 by a hydraulic outlet 65.
  • These distributors are of a fast switching type so as to avoid water hammer which would be induced by the changes in the movements of the jacks.
  • the distributors alternately communicate the chambers of each of the jacks with the return 66 to the tank, and either the high pressure generator 50 or the low pressure generator 51.
  • the central control unit switches the distributors when the two jacks have reached their stroke, the end of which is detected by the sensors 56, 57, 56a, 57a.
  • Figure 3 shows schematically the operation of the control during the extension of the cylinder 6 and the narrowing of the cylinder 6a, the upper chamber 67 of the cylinder 6 emptying in the return 66 to the tank, the lower chamber 68 of the cylinder 6 filling with the fluid from the high pressure generator 50, the upper chamber 67a of the cylinder 6a filling with the fluid from the low pressure generator 51, the lower chamber 68a of the cylinder 6a emptying in the return 66 to the tank.
  • the control unit When the cylinder 6 is fully extended and the cylinder 6a fully retracted, the control unit produces the switching of the distributors 61, 62, 63, 64 so that the upper chamber 67 is supplied by the low pressure generator 51, the lower chamber 68 empties into the return 66, the upper chamber 67a empties into the return 66 and the lower chamber 68a is supplied by the high pressure generator 51.
  • the central unit controls the switching of the distributors 61, 62, 63, 64 which is found in the arrangement shown diagrammatically in FIG. 3.
  • the return 66 to the tank is provided with a filter 69 comprising a safety bypass and an exchanger 70 adapted to cool the hydraulic fluid.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de pompage d'un fluide polyphasique. Le dispositif selon l'invention comporte en combinaison notamment une conduite d'alimentation (13) du fluide à pomper et une conduite de refoulement (19) du fluide pompé, au moins une première chambre à volume variable (2) adaptée à pomper ledit fluide, ladite chambre étant définie par une première culasse (3), un premier cylindre (4) et un premier piston (5), le piston (5) se déplaçant selon l'axe longitudinal du cylindre (4) dans ledit cylindre (4), ainsi qu'au moins un premier organe moteur (6) adapté à déplacer ledit piston (5) dans ledit cylindre (4). Le dispositif comporte en outre un carter (23) enveloppant au moins l'espace balayé par le piston (5), ledit espace étant opposé par rapport audit piston (5) à ladite première chambre (2), et ledit carter (23) contient un fluide gazeux. La présente invention concerne également un piston (5) comportant un logement (20) adapté à recevoir une saillie (10) solidaire de la culasse (3), ces deux éléments produisant un jet de fluide dirigé vers un orifice d'échappement (15).

Description

  • L'invention concerne un dispositif de pompage d'un fluide polyphasique notamment adapté à la production d'hydrocarbures en milieu où l'intervention humaine est difficile, si ce n'est impossible, et qui nécessite, entre autre, une grande fiabilité du matériel.
  • L'invention s'applique, en particulier, à la production d'hydrocarbures à partir d'au moins une tête de puits immergé équipant un gisement, tel un gisement situé au large des côtes, ces hydrocarbures comprenant un mélange polyphasique, généralement gaz-liquide hydrocarboné-eau, sous pression.
  • L'invention s'applique, en outre, en particulier, à la production d'hydrocarbures à partir d'au moins une tête de puits disposée dans un environnement difficile d'accès, tel la forêt vierge.
  • Le dispositif selon l'invention permet notamment le pompage d'une phase liquide et d'une phase gazeuse dans une conduite unique et évite de ce fait l'usage d'un séparateur de phase et de deux conduites séparées pour l'acheminement des fluides pompés séparément.
  • Le dispositif selon l'invention est en outre adapté au pompage d'un fluide polyphasique comportant une phase solide dispersée, telle que du sable ou des débris de roche.
  • Il est connu d'utiliser des pompes-compresseur polyphasiques tournantes, mais leur coût est très élevé et leur rendement modéré notamment en raison des pertes par frottements importants, ces pertes étant entre autres liées à la grande vitesse de rotation et aux volumes pompés.
  • Le brevet FR-330.433 décrit un dispositif adapté à refouler un liquide, l'évacuation des vapeurs de ce liquide se faisant par un conduit d'évacuation séparé du conduit de refoulement du liquide.
  • Le document US-A-3,016,717 concerne le pompage d'un liquide volatile, plus particulièrement d'un gaz liquéfié sous haute pression. L'enseignement principal contenu dans ce document consiste à éviter la vaporisation de tels liquides, en minimisant au maximum tout risque d'échauffement du liquide pouvant provenir, de différences de pression, d'échauffement par conduction ou autres. Le volume mort de la pompe peut alors être minimisé. Selon ce document antérieur, le volume mort est minimisé en adoptant une extrémité de piston ayant une forme creuse cylindrique enveloppant, en fin de course, le logement des clapets d'admission.
  • Néanmoins, aucun document antérieur ne concerne le pompage de fluides polyphasiques, tels que définis précédemment.
  • Le dispositif selon la présente invention permet de pomper des fluides polyphasiques tout en conservant un bon rendement.
  • Le dispositif de pompage d'un fluide polyphasique selon l'invention, comporte en combinaison une conduite d'alimentation du fluide à pomper et une conduite de refoulement du fluide pompé, au moins une chambre à volume variable adaptée à pomper le fluide comportant au moins un orifice d'alimentation du fluide, cette chambre étant définie par une culasse, un cylindre et un piston. Le piston se déplace selon l'axe longitudinal du cylindre dans le cylindre et comporte un logement débouchant sur une partie supérieure du piston, la culasse comporte une saillie pénêtrant dans ledit logement lorsque ledit piston se rapproche de ladite culasse. Le piston et la culasse ont des formes complémentaires coopérant ensemble pour produire un jet de fluide dirigé vers au moins un orifice d'échappement du fluide polyphasique, ladite salle ayant une forme évasée sur une partie substantielle de sa hauteur, la section la plus grande de ladite partie étant située du côté de ladite culasse.
  • L'orifice d'alimentation est, par exemple, disposé à un sommet de ladite saillie.
  • Le logement et la saillie pourront avoir des formes tronconiques sensiblement complémentaires. Le logement et ladite salle pourront être disposés au voisinage de l'axe dudit cylindre.
  • La chambre pourra comporter un orifice d'alimentation du fluide disposé à un sommet de ladite saillie. La culasse pourra comporter au moins deux orifices d'échappement disposés à des distances sensiblement égales de l'axe dudit cylindre.
  • Le dispositif selon l'invention comporte en outre au moins un premier organe moteur adapté à déplacer ledit piston dans ledit cylindre, et un carter enveloppant au moins l'espace balayé par le piston, cet espace est placé de manière opposée à ladite chambre par rapport au piston. Ce carter contient un fluide gazeux.
  • Le premier organe moteur pourra être un premier vérin hydraulique.
  • Le dispositif selon l'invention pourra comporter une deuxième chambre à volume variable adaptée à pomper ledit fluide. Cette deuxième chambre est définie par une deuxième culasse, un deuxième cylindre et un deuxième piston. Le deuxième piston se déplace selon l'axe longitudinal dudit deuxième cylindre dans ledit deuxième cylindre. Le carter enveloppe en outre l'espace balayé par le deuxième piston, cet espace étant opposé à la deuxième chambre par rapport audit deuxième piston. Les déplacements d'au moins le premier et deuxième pistons sont adaptés pour que la pression dudit fluide dans ledit carter soit sensiblement constante.
  • Ce dispositif pourra également comporter un deuxième vérin hydraulique, le premier vérin étant solidarisé avec le premier piston, le deuxième vérin sera solidarisé avec ledit deuxième piston. De plus, il pourra comporter des moyens de commande du premier et du deuxième vérin adaptés à réduire le volume de la première chambre tout en augmentant le volume de la deuxième chambre et adaptés à réduire le volume de la deuxième chambre tout en augmentant le volume de la première chambre et cela alternativement.
  • Les moyens de commande pourront déclencher l'augmentation du volume d'une des deux chambres seulement si l'autre des deux chambres a atteint son volume maximum, et les moyens de commande pourront déclencher une réduction du volume d'une chambre seulement si l'autre des deux chambres a atteint son volume maximum.
  • Le dispositif selon l'invention pourra comporter un générateur haute pression débitant un fluide hydraulique sous haute pression et un générateur basse pression débitant un fluide hydraulique sous une pression inférieure à ladite haute pression, ledit générateur haute pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une réduction du volume de leur chambre associée, ledit générateur basse pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une augmentation du volume de leur chambre associée.
  • Ledit carter selon l'invention pourra être clos et communiquer seulement avec la conduite d'aspiration ou seulement avec la conduite de refoulement.
  • Le dispositif selon l'invention pourra avoir le premier ou le deuxième vérin qui comporte un corps, ce corps pouvant être au moins partiellement à l'extérieur du carter.
  • Le dispositif selon l'invention pourra comporter plusieurs chambres de pompage, mais en nombre pair. Le carter pourra être étanche.
  • Le dispositif précédent pourra être avantageusement appliqué au pompage d'un effluent polyphasique comportant une phase solide dispersée. Il est par exemple appliqué au pompage d'effluents pétroliers, et notamment à la production aquatique de ces effluents, telle la production marine, le dispositif étant situé au fond d'un milieu aqueux ainsi qu'à la production terrestre en milieu hostile.
  • L'invention sera bien comprise à la lecture de la description d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés, parmi lesquels :
    • la figure 1 montre une vue partielle en coupe du dispositif de pompage selon l'invention,
    • la figure 2 montre une vue d'ensemble en coupe d'un dispositif comportant quatre éléments de pompage et disposé dans un module de pompage notamment adapté à la production sous-marine, et
    • la figure 3 schématise la commande hydraulique de deux vérins du dispositif de pompage.
  • Sur la figure 1, la référence 1 désigne dans son ensemble un premier élément de pompage du dispositif selon l'invention, la référence 1a étant relative à un deuxième élément de pompage de ce même dispositif identique au premier élément.
  • Cet élément de pompage 1 comporte une chambre 2 délimitée par une culasse 3, un cylindre 4 et un piston 5. Le piston 5 coulisse dans le cylindre 4 au moyen d'un vérin 6 accouplé par la tige 7 du vérin 6 et un axe 8. Le piston comporte des moyens d'étanchéité 9, tels des segments ou tels des joints à lèvres utilisés par exemple sur les pistons de pompe à boue, qui coopère avec le cylindre 4 pour assurer la compression du fluide. La culasse 3 comporte une saillie 10 située sur l'axe du cylindre de forme tronconique évasée à sa base 10a, et un orifice d'alimentation 11 en fluide à son sommet 10b. L'orifice d'alimentation 11 comporte un siège qui est obturable par une soupape 12 au cours de la phase de remplissage de la chambre 2 de manière à y laisser penêtrer le fluide provenant du conduit d'alimentation 13.
  • Le fluide penêtre dans la chambre du fait de la différence des forces de pressions existantes de part et d'autre de la soupape 12 et qui est suffisante pour s'opposer au moyen de rappel 14 de la soupape 12. Le fluide, qui est compressé par diminution du volume de la chambre 2, s'échappe de la chambre 2 au travers de quatre orifices d'évacuation 15 pourvus de clapets anti-retour 16 comportant des soupapes 17 coopérant avec des sièges solidaires de la culasse et des ressorts 18 assurant l'obturation des orifices d'évacuation au cours de la phase d'alimentation de la chambre 2. Les orifices d'évacuation 15 sont reliés à une conduite d'évacuation 19.
  • Au cours de la réduction du volume de la chambre 2, la saillie 10 penètre dans le logement 20 du piston de manière à produire un jet de fluide dirigé vers les orifices d'évacuation 15. Les formes sensiblement complémentaires et tronconiques du logement 20 et de la saillie 10 permettent la production d'un jet à haute vitesse sur les parois du logement 20 du piston 5, de la culasse 3 (notamment de sa saillie 10) et du cylindre 4 de manière à faciliter l'évacuation du fluide et le nettoyage des dépôts qui s'y incrusteraient faute de cette disposition avantageuse. La disposition centrale de la saillie 10 et du logement 20 permet en outre une répartition du fluide, dès son introduction dans la chambre, favorable à sa compression.
  • Le vérin 6 est relié au travers de deux orifices 21 et 22 à des générateurs hydrauliques adaptés à produire les mouvements du vérin et les variations de volume de la chambre 2.
  • L'élément 1 du dispositif de pompage comporte en outre un carter, désigné 23 dans son ensemble, qui enveloppe l'espace balayé par le piston 5 et opposé par rapport au piston 5, à la chambre 2, ainsi que l'espace libre entre le piston et le corps ou partie fixe du vérin 6.
  • Ce carter 23 communique avec le carter homologue 23a de l'élément de pompage 1a. Les carters 23, 23a... des éléments contiennent du fluide gazeux dont la pression est notamment adaptée à réduire voire annuler les fui tes de fluide polyphasique entre la chambre 2 et le carter, et/ou à diminuer l'épaisseur du ou des carters 23, 23a... devant résister à l'éventuelle pression hydrostatique du milieu environnant le dispositif de pompage. Ainsi, en exploitation pétrolière sous-marine, cette pression extérieure peut être celle produite par une colonne d'eau de mer de 1000m de hauteur.
  • D'une manière souvent très avantageuse, cette pression peut être celle de la conduite d'alimentation ou celle de la conduite de refoulement.
  • Le carter peut être relié à, voire traversé par, l'une ou l'autre de ces conduites. Les fuites de fluides entre la chambre 2 et le carter 23 peuvent alors se mélanger avec le fluide pompé ou à pomper.
  • On pourra aussi pressuriser le carter à une pression voisine de la pression extérieure, cependant les fui tes de gaz du carter vers la chambre de pompage oblige à renouveler le gaz. Ce renouvellement nécessite, lorsque le dipositif est utilisé sous l'eau à de grande profondeur, un générateur de gaz qui complique le fonctionnement du dispositif tout en réduisant sa fiabilité.
  • La figure 2 représente en coupe un dispositif de pompage comportant quatre éléments et disposé dans un module de pompage pouvant être immergé au fond de la mer, par exemple à une profondeur de 100m.
  • Le module de pompage 25 est adapté à être positionné sur une base 26 au moyen de quatre poteaux guides solidaires de la base coopérant avec des cônes guides solidaires du module. La descente de ce module sur la base est guidé par des lignes guides montées aux sommets des poteaux, les lignes coopérant avec lesdits cônes guides.
  • Au milieu de ces quatre poteaux guides est disposé un raccord 27 traversé par une conduite d'alimentation du dispositif de pompage, et qui vient de la tête de puits ou d'un ensemble de tête de puits et par la conduite d'évacuation du fluide pompé qui remonte à la surface de l'eau directement ou après un parcours au fond de l'eau. Ce raccord 27 coopère avec un collet 28 solidaire du module de pompage 25.
  • De ce collet 28, la conduite d'alimentation 13 rejoint le carter 23 du premier élément de pompage. Le fluide pompé traverse les carters 23 et 23b d'un troisième élément de pompage ainsi que la bride d'assemblage 24 avant d'être conduit par la conduite 13 vers une boîte de distribution 29 qui répartit le fluide dans chacune des chambres de pompage.
  • Le fluide une fois pompé quitte les différentes chambres par les conduites 19, se rassemble dans différentes boîtes de collecte 30, 31 avant d'être dirigé, toujours par la conduite d'évacuation vers le collet 28 et le raccord 27.
  • Le module de pompage comporte en outre une centrale hydraulique 32, un conteneur électrohydraulique 33, un conteneur bâche souple 34 et un conteneur électronique 35 tous disposés sous les chambres de pompage entre les corps des vérins.
  • La centrale hydraulique 33 transforme l'énergie électrique venant de la surface en énergie hydraulique permettant les déplacements de quatre vérins (6, 6a, 6b et celui non représenté).
  • Le conteneur électro-hydraulique 32 assure la distribution du fluide hydraulique entre la centrale hydraulique 33 et les vérins 6, 6a, 6b, et celui non représenté.
  • Le conteneur bâche souple 34 sert de vase d'expansion et de bâche de stockage au fluide hydraulique.
  • Le conteneur électronique 35 comporte les circuits de commande et de mesure des différents capteurs, vannes du module de pompage. Le conteneur 35 comporte notamment les circuits de commande des mouvements des vérins, des ouvertures et fermetures des vannes, les circuits électroniques des capteurs de pression, température, débit et pollution.
  • La partie supérieure du module comporte un bouclier 36 assurant la protection du module contre la chute d'objets tels des tiges de forage. La forme conique du bouclier 36 permet d'utiliser sa partie concave 37 comme piège à hydrocarbures contre la pollution. Le bouclier 36 est surmonté d'un raccord 38 permettant de maintenir et de manipuler le module de pompage par un câble ou par un train de tiges. La fixation des différents organes du module et la rigidité de celui-ci est notamment assuré par les tubes support 39, les planchers 40, 41, 42.
  • La figure 3 schématise la commande hydraulique de deux vérins 6, 6a associés au dispositif de commande.
  • Les vérins du dispositif sont appariés de manière que la pression dans le carter ne varie pas du fait des variations de volume du fluide s'y trouvant, les variations de volumes étant produites par le mouvement des pistons dans les cylindres.
  • La centrale hydraulique comporte un générateur hydraulique haute pression 50 à débit pouvant varier mais fonctionnant à débit constant pour des conditions de production données du fluide polyphasique. Ce générateur 50 fournit l'énergie hydraulique (1 MW) nécessaire au pompage du fluide pendant la phase de compression-évacuation.
  • La centrale comporte en outre un générateur hydraulique 51 à débit pouvant varier mais utilisé à débit constant pour les conditions de production susdites. Ce générateur 51 fournit l'énergie nécessaire à l'alimentation des chambres 67 de rappel de la tige du vérin et à leur augmentation de volume.
  • Un générateur hydraulique d'asservissement 52 fournit le fluide nécessaire à la commande de la distribution du fluide hydraulique des vérins. Ces trois générateurs 50, 51, 52 sont entraînés par un moteur 53 disposé dans une enceinte équipression avec la centrale hydraulique 32 dans lequel il se trouve.
  • Chacun de ces générateurs 50, 51, 52 est pourvu d'un filtre ayant une dérivation de sécurité 50a, 51a, 52a respectivement et d'une vanne différentielle 50b, 51b, 52b limitant la pression de refoulement. L'aspiration de ces pompes s'effectue à travers un filtre 54 ayant une dérivation de sécurité dans l'enceinte de la centrale hydraulique 32 servant de bâche rigide au fluide hydraulique.
  • Cette bâche rigide est reliée à une bâche souple 55 disposée dans le container 34.
  • Chacun des vérins 6, 6a comporte des capteurs 56, 56a, 57, 57a de fin de course, par exemple du type magnétique, qui permettent l'asservissement des mouvements des vérins entre eux.
  • Ces capteurs 56, 56a, 57, 57a sont reliés électriquement en 58 au central de commande 59. Ce central 59, qui est alimenté en fluide hydraulique par la pompe 52 et la capacité 60 disposée en dérivation de la pompe, commande le fonctionnement des distributeurs 61, 62, 63, 64 par une sortie hydraulique 65.
  • Ces distributeurs sont d'un type à commutation rapide de manière à éviter les coups de bélier qui seraient induits par les changements des mouvements des vérins.
  • Les distributeurs font communiquer alternativement les chambres de chacun des vérins avec le retour 66 à la bâche, et soit, le générateur haute pression 50, soit le générateur basse pression 51.
  • Le central de commande réalise la commutation des distributeurs lorsque les deux vérins ont atteint leur course dont la fin est détectée par les capteurs 56, 57, 56a, 57a.
  • La figure 3 schématise le fonctionnement de la commande au cours de l'extension du vérin 6 et le retrécissement du vérin 6a, la chambre supérieure 67 du vérin 6 se vidant dans le retour 66 à la bâche, la chambre inférieure 68 du vérin 6 se remplissant avec le fluide du générateur haute pression 50, la chambre supérieure 67a du vérin 6a se remplissant avec le fluide du générateur basse pression 51, la chambre inférieure 68a du vérin 6a se vidant dans le retour 66 à la bâche.
  • Lorsque le vérin 6 est complètement sorti et le vérin 6a entièrement rentré, le central de commande produit la commutation des distributeurs 61, 62, 63, 64 de manière que la chambre supérieure 67 soit alimentée par le générateur basse pression 51, la chambre inférieure 68 se vide dans le retour 66, la chambre supérieure 67a se vide dans le retour 66 et la chambre inférieure 68a soit alimentée par le générateur haute pression 51.
  • Lorsque le vérin 6 est complètement rentré et le vérin 6a entièrement sorti, le central commande la commutation des distributeurs 61, 62, 63, 64 qui se retrouve dans la disposition schématisée à la figure 3.
  • Le retour 66 à la bâche est pourvu d'un filtre 69 comportant une dérivation de sécurité et un échangeur 70 adapté à refroidir le fluide hydraulique.

Claims (20)

  1. Dispositif de pompage de fluide polyphasique, comportant une conduite d'alimentation (13) du fluide à pomper et une conduite de refoulement (19) du fluide pompé, au moins une chambre à volume variable adaptée à pomper ledit fluide, ladite chambre étant définie par une culasse (3), un cylindre (4) et un piston (5), le piston (5) se déplaçant selon l'axe longitudinal du cylindre (4) dans ledit cylindre (4), ledit piston (5) comportant un logement débouchant (20) sur une partie supérieure du piston, ladite culasse (3) comportant une saillie (10) pénêtrant dans ledit logement lorsque ledit piston se rapproche de ladite culasse, ladite chambre comportant au moins un orifice d'alimentation du fluide, ledit piston (4) et ladite culasse (3) ont des formes complémentaires coopérant ensemble pour produire un jet de fluide dirigé vers au moins un orifice d'échappement dudit fluide polyphasique, ladite saillie ayant une forme évasée sur une partie substantielle de sa hauteur, la section la plus grande de ladite partie étant située du côté de ladite culasse.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit orifice d'alimentation du fluide est disposé à un sommet de ladite saillie.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit logement (20) et ladite saillie (10) sont disposés au voisinage de l'axe dudit cylindre.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit logement (20) et ladite saillie (10) ont des formes tronconiques sensiblement complémentaires.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite culasse comporte au moins deux orifices d'échappement (15) disposés à des distances sensiblement égales à l'axe dudit cylindre.
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un premier organe moteur adapté à déplacer ledit piston dans ledit cylindre.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un carter (23) enveloppant au moins l'espace balayé par le piston, ledit espace étant opposé par rapport audit piston à ladite chambre (8), et en ce que ledit carter contient un fluide gazeux.
  8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier organe moteur est un premier vérin hydraulique.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième chambre à volume variable adapté à pomper ledit fluide, ladite deuxième chambre étant définie par une deuxième culasse, un deuxième cylindre et un deuxième piston, ledit deuxième piston se déplaçant selon l'axe longitudinal dudit deuxième cylindre dans ledit deuxième cylindre, ledit carter enveloppant en outre l'espace balayé par ledit deuxième piston, le deuxième espace étant opposé par rapport audit deuxième piston à ladite deuxième chambre, en ce que les déplacements d'au moins lesdits premiers et deuxièmes pistons sont adaptés pour que la pression dudit fluide dans ledit carter soit sensiblement constante.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième vérin hydraulique, ledit premier vérin étant solidarisé avec ledit premier piston, ledit deuxième vérin étant solidarisé avec ledit deuxième piston, en ce qu'il comporte des moyens de commande du premier et du deuxième vérin adaptés à réduire le volume de la première chambre tout en augmentant le volume de la deuxième chambre et adaptés à réduire le volume de la deuxième chambre tout en augmentant le volume de la première chambre et cela alternativement.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande déclenchent l'augmentation du volume d'une des deux chambres seulement si l'autre des deux chambres a atteint son volume maximum, et en ce que lesdits moyens de commande déclenchent une réduction du volume d'une chambre seulement si l'autre des deux chambres a atteint son volume maximum.
  12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur haute pression débitant un fluide hydraulique sous haute pression et un générateur basse pression débitant un fluide hydraulique sous une pression inférieure à ladite haute pression, ledit générateur haute pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une réduction du volume de leur chambre associée, ledit générateur basse pression alimentant chacun desdits vérins lorsqu'ils produisent une augmentation de leur chambre associée.
  13. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que ledit carter est clos et communique seulement avec ladite conduite d'aspiration.
  14. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que ledit carter est clos et communique seulement avec ladite conduite de refoulement.
  15. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 14, dans lequel le premier ou le deuxième vérin comporte un corps, caractérisé en ce que ledit corps est au moins partiellement à l'extérieur du carter.
  16. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs chambres de pompage et en ce que lesdites chambres sont en nombre pair.
  17. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que ledit carter est étanche.
  18. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 17 au pompage d'un effluent polyphasique comportant une phase solide dispersée.
  19. Application du dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, au pompage d'effluents pétroliers.
  20. Application selon l'une des revendications 18 ou 19 à la production terrestre ou aquatique desdits effluents, telle la production marine, ledit dispositif étant situé au fond d'un milieu aqueux ou en milieu terrestre hostile.
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