EP0989306B1 - Système de compression-pompage comportant une section de compression en fonctionnement alterné et son procédé - Google Patents

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EP0989306B1
EP0989306B1 EP99402084A EP99402084A EP0989306B1 EP 0989306 B1 EP0989306 B1 EP 0989306B1 EP 99402084 A EP99402084 A EP 99402084A EP 99402084 A EP99402084 A EP 99402084A EP 0989306 B1 EP0989306 B1 EP 0989306B1
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EP
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compression
liquid
fluid
section
phase
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EP99402084A
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EP0989306A1 (fr
Inventor
Yves Charron
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/34—Arrangements for separating materials produced by the well
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D31/00—Pumping liquids and elastic fluids at the same time
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B2200/00—Special features related to earth drilling for obtaining oil, gas or water
    • E21B2200/22—Fuzzy logic, artificial intelligence, neural networks or the like

Definitions

  • the present invention relates to an alternating compression-pumping system of a multiphase fluid having a composition that can vary over time.
  • the composition can successively present a large amount of gas, established over a long period of use, but also a low rate of gas over a period that can cause of a separator arranged upstream of the part of the system whose function is to communicate energy to the fluid.
  • the system according to the invention finds particular application in the field of oil production.
  • the present invention relates to a compression system which comprises at least one compression section, able to accept gas or liquid, and to communicate a energy value to each of these fluids
  • the compression system includes means for performing the switching from this compression section of the gas mode to the liquid mode and vice versa.
  • the invention relates to an alternating pump-pumping system for communicating energy to one or more fluids, said fluids being liquid or gaseous.
  • the alternating compression-pumping system can make it possible to to communicate energy to a multiphase fluid having a variable composition in the time, for example a variation in the amount of gas phase and the amount of phase liquid.
  • the compression system may comprise at least one recycling sub-conduit a fraction of the essentially gaseous fluid from the compression section to the separation device.
  • the system comprises, for example, a recycling sub-conduit of a fraction at less essentially liquid fluid from the pumping section to the device of separation.
  • the alternating compression section for example comprises at least one stage for obtaining the separation of the phase gaseous and liquid phase in the form of droplets.
  • the invention also relates to an associated method for communicating energy. to a fluid that can be either substantially liquid or substantially gaseous.
  • the method can make it possible to communicate energy to each phases of a multiphase fluid, said fluid comprising at least one liquid phase and at least one less a gaseous phase, the quantity of the essentially liquid phase and the quantity of the essentially gaseous phase that can vary over time, said gaseous phase being sent to a compression section and said liquid phase being sent to a section pumping or to a compression section in alternating gas-liquid operation, the sections forming part of a compression-pumping system.
  • the initial speed of rotation N P1 can be varied towards a rotation speed N P2 , the said rotation speed N P2 being chosen so that the value of the pressure at the discharge the compression section obtained during the passage of a gaseous fluid is substantially identical to the discharge pressure value when the section is traversed by a liquid fluid and reciprocally vary the rotational speed when switching from P 2 mode to the mode P 1 .
  • the separation step of the liquid and gaseous phases can be continued inside a compression stage of the alternate compression-pumping system.
  • a fraction of the gas phase from the compression section to the separation step so as to maintain a minimum flow rate of fluid in said compression section.
  • the separation step is for example carried out in a separation device.
  • the system and method according to the invention are used, for example, to transfer a certain energy to the liquid phase and the gaseous phase of a petroleum effluent.
  • a wet gas such as a condensate gas or an associated gas.
  • FIG. 1 represents an exemplary embodiment for the compression-pumping system comprising the features of the invention, given for illustrative purposes and in no way limiting, to better understand the principle of operation.
  • This system makes it possible to increase the pressure of a multiphase fluid and in particular the pressure for each phase constituting it.
  • gaseous phase is used to designate a fluid essentially gas or a gas resulting from the separation of the multiphase fluid, and the expression "liquid phase” a substantially liquid fluid or a liquid.
  • the alternating compression-pumping system is integrated into one and the same enclosure or casing 1. It comprises at least one pumping section 2 adapted to a fluid essentially liquid and at least one compression section 3 whose characteristics techniques are adapted to an essentially gaseous fluid but which can also function for a substantially liquid fluid.
  • the compression section is designated as the term "alternating operating pumping section" for reasons of simplification.
  • Each of the compression sections 3 or pumping 2 comprise several stages consisting of impellers followed by rectifiers. These impellers and rectifiers are chosen among those usually used in the fields of pumping and compression of fluids comprising several phases or monophasic fluids.
  • the compression section 3 may comprise one or more input stages which will be adapted to finalize the separation of the multiphase fluid according to classics used by those skilled in the art. This embodiment is advantageous when the gas contains droplets of liquid even if the latter are in weak quantities.
  • the impellers of the compression section 3 and the pumping section 2 are example of the same rotation shaft 4. These two sections 2, 3 are separated by sealing means 19 (FIG. 4A) making it possible to avoid the migration of the phases between the sections.
  • the separator may be integral or separate from the housing.
  • the duct 11 can be divided into two ducts 11a, 11b.
  • the conduit 11a is equipped with a control valve Vl1 and allows recycling a fraction at least from the essentially liquid phase to the separator 5.
  • This fraction of liquid can, without departing from the scope of the invention, come from an external source of liquid connected to the conduit 11a.
  • the duct 12 is provided for example with a flow measuring device 13.
  • This duct is divided for example into two ducts 12a, 12b.
  • the duct 12a is provided with a regulation valve Vg1 which allows the recycling of a fraction of the compressed gas to the inlet pipe so as to reintroduce it into the separator.
  • This recycling circuit plays the role of a protection circuit of the compression.
  • the conduit 12b comprises for example a valve Vg2 which allows the gas to be evacuated.
  • the protection circuit (12a, Vg1) makes it possible to maintain a minimum flow so as to protect the system against highly destructive flow fluctuations at reduced flow.
  • One of the ways to implement it is given in the following description.
  • the recycling system (11a, Vl1) makes it possible to maintain a minimum flow of liquid in order to protect the alternating compression-pumping system against vibrations generated at reduced flow.
  • conduits 11b and 12b can be joined in a single conduit 16 to evacuate the fluid to a destination or a place of treatment.
  • the separator 5 and the various aforementioned conduits are optionally equipped with means for determining the pressure and the temperature, such as sensors C P , C T , not shown for reasons of simplification of the figure.
  • the alternate compression-pumping system also includes a means for determine the speed N of rotation of the shaft 4 supporting the impellers of the sections of compression and pumping.
  • the separator 5 is equipped with means for example one or more sensors C L to determine the level of the liquid-gas interface.
  • this or these sensors are able to follow the evolution of the liquid level inside the separator.
  • the set of measuring devices is connected to a control system 15 who is able to memorize the various pieces of information, process them and send signals for acting on the different valves equipping the system according to a method an example of which is given below.
  • control and command system 15 is thus capable of controlling the different operations given as a non-limiting example and illustrative below.
  • the system remains in this state as long as the liquid-gas interface does not move away from the threshold value L 3 , this is controlled for example by means of the level sensor C L.
  • the fluid sent to the compression section is a substantially gaseous fluid.
  • the control-command system 15 will act on the different valves to tilt the compression-pumping section. from a mode of operation for the gas to an operating mode for the liquid, and thus pass a substantially liquid fluid in the compression section.
  • two intermediate levels L 2 L 1 and thus intermediate changes in the state of the valves.
  • the control system 15 acts so that the valve Vl1 closes gradually and the valve Vl2 opens gradually. Their openings are subject to a PID or other type of regulation mode known to those skilled in the art.
  • the reverse logic applies.
  • the references MP1, MP2 and PS correspond to the operation in mode P 1 , P 2 or in mode P 1 stabilized around the level L 3 .
  • control-command system acting on the valves positioned the latter in intermediate states (or preliminary states) to the state in which they will have to be put for the passage from the operating mode of P 1 to the operating mode P 2 .
  • the control system 15 acts to decrease the speed of rotation to the speed of rotation N P2 and to close the valve Vg3 completely, to open the valve Vl3 completely so as to direct the liquid towards the compression section and to open the valve Vl4 (reference> L0 (t1) in diagram 2B of Figure 2).
  • L0 (t1) in diagram 2B of Figure 2
  • the compression-pumping system 15 will open the valve Vg2 so as to evacuate the liquid through the compression section, and close the valve Vg1 entirely.
  • valve Vl4 makes it possible to limit the mismatch of the stages of compression during operation with a very little compressible phase (phase essentially liquid) as shown in Figure 3.
  • the flow of liquid input may be insufficient to maintain the liquid level at L 3 .
  • the control-command system 15 acts so that the valve Vl2 closes completely, so as to guard against an entry of the gas phase into the liquid section and to increase the opening valve Vl1, so as to allow operation at a rate higher than the minimum flow rate below which the vibrations appear.
  • This mode of operation is maintained while the liquid level is lower than L 4 .
  • the valve Vl2 resumes the opening corresponding to a case of normal operation and the opening of the valve Vl1 adjusts to regulate the liquid level around L 3 .
  • the so-called compression section is traversed by a substantially liquid phase, therefore having a high density.
  • the compression ratio can then be very high and even too high compared to the mechanical strength of the impellers, housing and facilities usually used and located downstream of the housing.
  • the rotation speed Np 2 is chosen such that the discharge pressure is approximately equal to that obtained in P 1 mode, given the densities of each phase, and so that N P2 ⁇ N P1 .
  • the positions of the valves and the rotational speed are maintained in the state that followed the changeover as long as the level remains greater than L 2 so as to avoid frequent changes of mode, for example when switching from P 1 to P 2 and P 2 in P 1 triggered by the same level of liquid.
  • the control system When the level L becomes less than L 2 , the control system progressively switches the operation mode of the compression system from the mode P 2 to the mode P 1 .
  • the first phase of the switchover (diagram 2B in Figure 2 ⁇ L2 (t3)) consists of open valve Vg3 completely, partially open valve Vg1 and close valves Vl3 and Vl4 so as to direct the gaseous fluid contained in the separator towards the section of compression.
  • the control system acts to close the valve Vg1 fully (diagram 2A of Figure 2 L3 (t6)) and to reset the value of the speed of rotation to a corresponding value substantially at the value Np1 (mode P 1 ).
  • the opening of the valve Vg1 is maintained in a state such that the gas flow rate is greater than the flow rate corresponding to the minimum authorized flow rate (antipumping protection). This flow rate value is specified with respect to the characteristics of the compression section.
  • FIG. 3 represents, in a flow coefficient diagram (on the abscissa), pressure coefficient (ordinate), the evolution of operating points of the section of alternate-pump compression when the compression-pumping system is equipped with means for adapting at least one series of compression stages to pumping a liquid, knowing that these compression stages were initially chosen by compared to a substantially gaseous fluid.
  • These means are for example in the example given one or more exhaust ducts equipped with valves to control the passage of fluids.
  • adaptation of a floor means in the context of the present invention the operation of a stage at a rate corresponding to the point of best performance, which is known to the specialist of compression machines.
  • Flow and pressure coefficients one-storey are adimensional quantities which are respectively proportional to flow rate of the stage and at the head, two known parameters of the same specialist.
  • the compression section is composed of four stages: references E 1 to E 4 .
  • the adaptation of the stages is represented by the points A 1 to A 4 , the volume flow rates decreasing from the first to the last stage, taking into account the compressibility of the gas.
  • stage E 2 point B 2
  • stages located upstream and downstream of this stage are generally very poorly adapted.
  • the stages E 1 and E 3 will give very poor yields and will generate overheating as well as flow fluctuations.
  • stage E 4 (represented by the point B 4 ) it will reduce the energy supplied to the fluid (compression ratio less than 1) by the stages E 1 to E 3 .
  • the compression system comprises at least one duct 10 disposed between two compression stages and a valve Vl4.
  • the fraction of fluid extracted from the compression section can be sent to the separator 5 or to a point outside the compression-pumping system according to the invention.
  • FIG. 3 there is shown the case where an extraction is performed downstream of the second stage E 2 in order to obtain an operation according to the points C 1 to C 4 adjacent to the optimum operating point.
  • the extracted liquid flow rate is determined by appropriate sizing of the conduit extraction 10 (length and diameter) or by the introduction of a dissipative body of energy known to those skilled in the art (restriction, orifice, type valve or anything) in this conduit.
  • FIG. 4A represents an alternative embodiment comprising means allowing to optimize the fluid separation step.
  • This variant comprises a static separator 5 having a reduced volume compared to the dimensions of the separators used conventionally upstream of the machines monophasic.
  • the separator alone performs a rough separation of the phases by simple action of Earth's gravity.
  • An improvement in phase separation can be achieved by putting in rotation the substantially gaseous and liquid phases in the separator 5.
  • the rotation can for example be obtained by arranging the aspirations of the conduits (7, 8, 9) tangentially to the wall of the separator 5 and substantially perpendicular to the axis of symmetry of the separator (at the center of symmetry of the separator). (not shown in Figure 4A) as described in the applicant's patent application FR 98/00933.
  • the aspirations of the ducts 7 and 9 are arranged below the level L 4 while the suction of the duct 8 is disposed above the level L 0 .
  • Fine separation of the droplets contained in the gas phase can be obtained by performing a dynamic separation or a static separation:
  • Dynamic separation can be achieved by an arrangement of several elements such as those described in Figure 4A
  • the rotation shaft 4 common to the pumping section 2 and the 3 compression section enters the static separator 5 of Figure 4A and serves as support to the series of disks.
  • the diameter of the shaft 4 or a part of this shaft supporting the Dg disks is dimensioned according to the torque to be transmitted and the rigidity required.
  • the tree can be consisting of several elements, the coupling being done by gearing, flexible coupling, magnetic or other.
  • the disks Dg are for example arranged so as to avoid the operation of the discs at the oil-gas interface and emulsion formation.
  • the diameter of these disks and the distance between the disks of the same series can be determined according to the degree of separation desired upstream of the sections of pumping and compression. For example, these parameters will be determined based on limit diameters for droplets. These parameters can be calculated using a code three-dimensional calculation available to the skilled person.
  • the static separation can be realized:
  • a conduit 20 of helical shape is disposed around the conduit 7 allowing the passage of the liquid phase to the pumping section and which is arranged substantially at the central axis of the separator.
  • the gas containing the droplets of liquid enters through the inlet 21.
  • the droplets are deposited along the wall of the pipe by the action of a centrifugal force.
  • the deposited liquid falls into the separator through the inlet 22 of the gas while the gas comes out at point 23 (inlet driving 8).
  • the characteristics of the helical tube are dimensioned so as to allow the fallout of the liquid deposited by the entrance 22.
  • the sealing device 19, shown in FIG. 4A makes it possible to avoid migration phases between the compression and pumping sections.
  • An example of a device is detailed in the aforementioned patent application FR-98 / 00.933, including technical teaching relative to this sealing means is incorporated by reference.
  • the level measurement in the separator is essential for the protection of the rotating elements
  • the level measurement can be carried out for example using three sensors operating according to the principle of majority logic (when a sensor provides information different from the other two, information from the first is discarded in favor of of the two others).
  • lines 12a and 11a can also be used to avoid the operation of the compression section and the pumping section in the zone of reduced flow rate that can lead to rapid damage to the compression section (anti- pumping) and the generation of pressure and vibration fluctuations with respect to pumping section.
  • a liquid rate measurement system and its speed of movement can be installed in upstream of the equipment, so as to anticipate actions on the valves as well as on the speed regulation.
  • Fuzzy logic control taking into account a large number of parameters (eg for example, the liquid level in the separator flask, the degree of opening of the assembly valves, the rate of liquid and its speed of travel upstream of the system of compression - pumping) can be implemented to allow better optimization of production compared to conventional control while ensuring better protection of the equipment.
  • parameters eg for example, the liquid level in the separator flask, the degree of opening of the assembly valves, the rate of liquid and its speed of travel upstream of the system of compression - pumping
  • the two-phase compression device may be preceded by a device 18 (FIG. 1) liquid stopper to limit the risk of waterlogging separator balloon and therefore limit the number of failovers from a mode to a other.
  • This device is for example disposed upstream of the junction of the ducts 6 and 12a. he works on the principle of an increase of pressure losses for the same speed when the liquid level increases and an increase in this effect to a short distance from the input of the two-phase compression device.
  • the device can be consisting of a restriction in diameter, an orifice, a valve or any other organ can cause a loss of charge.
  • the retarder will react with the two-phase compression system rotodynamic in the following way: for a given speed of rotation and a pressure of given discharge, to an increase in the rate of liquid at the inlet of the Two-phase compression will correspond to an increase in pressure losses, a decrease in suction pressure and an increase in the compression ratio.
  • an increase in the compression ratio entails a decrease in the volume flow at the entrance and consequently a decrease in speed of the flow in the retarder 18.
  • GLR input 1000 60 17 8 5 ⁇ 5 Loss of charge 0035 0.06 0.11 0.18 0.26 > 0. 26 Gas flow alone 12000 11400 10800 9400 7000 0 Gas + liquid flow 12000 11600 11400 10600 8400 0
  • Figure 5 schematically shows a compression-pumping system Alternate adapted for example for all areas of application where it is necessary to communicate multi-fluid energy, one of which is essentially liquid and the other essentially gaseous.
  • the alternate compression-pumping system has a section of compression 50 with alternating gas-liquid operation, having one of the characteristics described in the compression-pumping section described in Figure 1.
  • Two inlet ducts (51, 52) for example a duct for introducing the fluid liquid and a conduit for the introduction of the gas.
  • Means for determining upstream the nature of the fluid that arrives in the compression system arranged for example on the arrival ducts.
  • a conduit 53 of the fluid outlet having acquired energy is
  • An evacuation duct 54 of a substantially liquid fluid the majority of the liquid being evacuated after having acquired energy via the conduit 53 and the remainder passes through the conduit 54 so as to allow the adaptation of the compression section to the passage of the liquid.
  • Control means substantially identical to the reference means 15 and previously described. These means take account in particular of the result of the determination of the incoming fluid to control the operating changeover of the compression-pumping section in P1 or P2 mode.
  • valves 55, 56, 57 and 58 arranged respectively on the conduits 51, 52, 53 and 54. These valves ensure the passage or not of the fluid essentially liquid or essentially gaseous fluid to the operating compression section alternate or from the alternate compression section.

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Description

La présente invention concerne un système de compression-pompage alterné d'un fluide polyphasique ayant une composition qui peut varier dans le temps. La composition peut présenter successivement une grande quantité de gaz, établie sur une longue période d'utilisation, mais également un faible taux de gaz sur une durée qui peut provoquer rengorgement d'un séparateur disposé en amont de la partie du système ayant pour fonction de communiquer de l'énergie au fluide.
Le système selon l'invention trouve notamment son application dans le domaine de la production pétrolière.
Bien que le « terme » pompage diphasique soit couramment utilisé pour désigner un apport d'énergie à un fluide composé d'une phase liquide et d'une phase gazeuse, on utilisera dans la description donnée ci-après, le terme « compression » mieux adapté pour désigner un transfert d'énergie à un fluide diphasique compressible, en particulier lorsqu'il est caractérisé par un fort rapport volumique gaz/liquide (GLR dans les conditions réelles de température et de pression) élevé.
Différents dispositifs dont certains exemples sont donnés ci-après, permettent de comprimer un fluide diphasique composé d'un gaz et d'un liquide, et éventuellement de particules solides :
  • un ensemble de machines monophasiques (composé au minimum d'une pompe et d'un compresseur) précédées d'un système de séparation. Par exemple, le document GB 2 273 958 propose de séparer la phase liquide et la phase gazeuse d'un fluide polyphasique, d'effectuer la compression de la phase gazeuse séparément du pompage de la phase liquide, puis de combiner les phases gazeuse et liquide sous pression avant transport. Ce mode de production conduit à des installations de compression encombrantes et coûteuses,
  • l'utilisation d'impulseurs radiaux pour comprimer directement un mélange gaz-liquide. Ces impulseurs sont limités à des taux de gaz généralement inférieurs à 20%. Cette limite peut être repoussée à environ 30 % en utilisant des impulseurs radio-axiaux et au-delà avec des impulseurs axiaux,
  • les machines volumétriques (alternatives, à vis, à membranes) qui permettent d'obtenir un bon rendement de compression pour un mélange diphasique. En revanche, elles sont très mal adaptées aux grands débits volumiques qui caractérisent les applications à fort taux de gaz,
  • les dispositifs rotodynamiques avec impulseurs hélico-axiaux, tels que ceux décrits dans le brevet du demandeur FR 2.665.224, ces derniers sont particulièrement bien adaptés à la compression d'un mélange diphasique présentant un grand débit volumique. En revanche, la faible hauteur manométrique produite par chaque impulseur ne permet pas d'obtenir des taux de compression très élevés lorsque le GLR est supérieur à 20. Par ailleurs, le rendement de ces impulseurs est inférieur au rendement des machines monophasiques et tend à décroítre lorsque la pression d'entrée diminue.
  • des dispositifs qui utilisent des séparateurs dynamiques en amont d'un compresseur de gaz sec, tels que le compresseur de fluide gazeux associé à un séparateur gaz-liquide qui est décrit dans la demande de brevet WO 87/03 051.
La présente invention concerne un système de compression qui comporte au moins une section de compression, capable d'accepter du gaz ou du liquide, et de communiquer une valeur d'énergie à chacun de ces fluides
Le système de compression comporte des moyens permettant de réaliser le basculement de cette section de compression du mode gaz vers le mode liquide et inversement.
De manière générale, l'invention concerne un système de compresion-pompage alterné permettant de communiquer de l'énergie à un ou plusieurs fluides, lesdits fluides pouvant être liquide ou gazeux.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants :
  • au moins une section de compression à fonctionnement alterné, adaptée à communiquer une valeur de pression à un fluide essentiellement liquide ou à un fluide essentiellement gazeux, ladite section de compression comportant au moins un conduit d'introduction d'un fluide essentiellement liquide, au moins un conduit d'introduction d'un fluide essentiellement gazeux, au moins un conduit d'évacuation d'un fluide ayant acquis une certaine valeur d'énergie par passage dans ladite section de compression et au moins un conduit d'évacuation d'un fluide essentiellement liquide,
  • des moyens permettant de déterminer la nature dudit fluide arrivant dans ledit système, lesdits moyens étant disposés en amont dudit système,
  • des moyens permettant de contrôler le débit du liquide ou du gaz,
  • des moyens de contrôle-commande permettant de faire varier l'état desdits moyens de contrôle de débit de manière à faire passer la section de compression d'un mode de fonctionnement adapté au gaz à un mode de fonctionnement pour le liquide et réciproquement.
Selon l'invention, le système de compression-pompage alterné peut permetttre de communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique ayant une composition variable dans le temps, par exemple une variation dans la quantité de phase gazeuse et la quantité de phase liquide.
Il est caractérisé en ce qu'il peut comporter en outre :
  • au moins une section de pompage choisie pour communiquer de l'énergie à un fluide essentiellement liquide, ladite section de pompage comportant au moins un conduit d'introduction d'une phase essentiellement liquide et au moins un conduit d'évacuation de la phase liquide pompée,
les moyens permettant de déterminer la nature du fluides arrivant dans le système comporte au moins un dispositif de séparation des différentes phases constituant le fluide polyphasique, ledit dispositif de séparation étant relié à un conduit d'introduction du fluide polyphasique, et au conduit d'évacuation de liquide provenant de la section de compression-pompage alternée, ledit dispositif comportant au moins un conduit d'évacuation de la phase gazeuse et au moins un conduit d'évacuation de la phase liquide,
le dispositif de séparation étant pourvu de moyens (CL) permettant de détecter le niveau de l'interface gaz-liquide, du fluide introduit dans le dispositif de séparation,
les moyens (Vgi, Vli) permettant de contrôler le débit des phases liquides ou gaz, agissant au niveau des différents conduits.
Le système de compression peut comporter au moins un sous-conduit de recyclage d'une fraction du fluide essentiellement gazeux issu de la section de compression vers le dispositif de séparation.
Le système comporte par exemple un sous-conduit de recyclage d'une fraction au moins du fluide essentiellement liquide issu de la section de pompage vers le dispositif de séparation.
Le dispositif de séparation peut être associé à au moins un des éléments suivants :
  • un conduit hélicoïdal destiné à effectuer la séparation des gouttelettes de liquide de la phase gazeuse,
  • une série de disques montés sur ledit arbre de rotation, ledit arbre de rotation se prolongeant dans ledit séparateur.
Selon un mode de réalisation, la section de compression à fonctionnement alternée comporte par exemple au moins un étage permettant d'obtenir la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide se présentant sous forme de gouttelettes.
L'invention concerne aussi un procédé associé permettant de communiquer de l'énergie à un fluide qui peut être soit essentiellement liquide soit essentiellement gazeux.
Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
  • a) on détermine la nature du fluide auquel on doit communiquer de l'énergie,
  • b) on envoie ledit fluide quelque soit sa nature à une section de compression-pompage alternée,
  • c) on adapte simultanément lors de l'étape b) ladite section de compression-pompage alternée à la compression du fluide lorsque ce dernier est essentiellement gazeux ou au pompage du fluide lorsque ce dernier est essentiellement liquide.
    • Selon l'invention, le procédé peut permettre de communiquer de l'énergie à chacune des phases d'un fluide polyphasique, ledit fluide comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, la quantité de la phase essentiellement liquide et la quantité de la phase essentiellement gazeuse pouvant varier dans le temps, ladite phase gazeuse étant envoyée vers une section de compression et ladite phase liquide étant envoyée vers une section de pompage ou vers une section de compression en fonctionnement alterné gaz-liquide, les sections faisant partie d'un système de compression-pompage.
    Dans ce cas, avant l'étape a), on sépare ledit fluide polyphasique en une phase essentiellement gazeuse et une phase essentiellement liquide,
    Puis, lors des étapes a), b) et c) on effectue les opérations suivantes :
    • on détermine le niveau L de liquide ou de l'interface liquide-gaz dans le dispositif de séparation,
    • on compare le niveau L à une valeur seuil L0.
         si L est supérieure à L0, on agit sur un ensemble de moyens de régulation de débit des phases liquide et gaz de manière à faire passer la section de compression dudit système de compression-pompage d'un mode de fonctionnement P1 pour un fluide essentiellement gazeux à un mode de fonctionnement P2 pour un fluide essentiellement liquide,
         en fermant pratiquement entièrement un premier moyen de contrôle Vg3, en ouvrant pratiquement entièrement un deuxième moyen de contrôle Vl3 de façon à diriger le liquide vers la section de compression et en ouvrant un troisième moyen de contrôle Vl4
    • on contrôle le niveau de L en permanence,
         dès que le niveau de L devient inférieur à un niveau de seuil L2, on agit sur les vannes pour faire passer la section de compression du mode P2 au mode P1,
         en ouvrant pratiquement entièrement le premier moyen de contrôle Vg3, en fermant pratiquement entièrement le deuxième moyen de contrôle Vl3 de façon à diriger le gaz vers la section de compression et en fermant le troisième moyen de contrôle Vl4.
    Lors du passage du mode P1 au mode P2, on peut faire varier la vitesse initiale de rotation NP1 vers une vitesse de rotation NP2, ladite vitesse de rotation NP2 étant choisie de façon telle que la valeur de la pression au refoulement de la section de compression obtenue lors du passage d'un fluide gazeux soit sensiblement identique à la valeur de pression de refoulement lorsque la section est parcourue par un fluide liquide et réciproquement faire varier la vitesse de rotation lors du passage du mode P2 au mode P1.
    On peut poursuivre l'étape de séparation des phases liquide et gazeuse à l'intérieur d'un étage de compression du système de compresion-pompage alterné.
    Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, lorsque la valeur de L est inférieure à L4. on recycle par exemple une majorité de la fraction liquide issue de la section de pompage vers le dispositif de séparation.
    Selon un autre mode de mise en oeuvre on recycle par exemple moins une fraction de la phase gazeuse issue de la section de compression vers l'étape de séparation de manière à maintenir un débit minimum de fluide dans ladite section de compression. L'étape de séparation est par exemple réalisée dans un dispositif de séparation.
    Le système et le procédé selon l'invention sont utilisés par exemple pour transférer une certaine énergie à la phase liquide et à la phase gazeuse d'un effluent pétrolier.
    Ils peuvent aussi être utilisés pour transférer une certaine énergie à la phase liquide et à la phase gazeuse d'un gaz humide, tel qu'un gaz à condensat ou un gaz associé.
    L'utilisation du système selon l'invention présente notamment les avantages suivants :
    • réduire le nombre de machines, comparé à des machines monophasiques et polyphasiques rotodynamiques, et de réduire rencombrement et le poids comparé à des machines volumétriques,
    • diminuer la consommation de puissance comparativement à des machines polyphasiques rotodynamiques.
    D'autres avantages et caractéristiques du dispositif selon l'invention seront mieux compris à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif en se référant aux figures annexées :
    • la figure 1 schématise un exemple de système de compression diphasique selon l'invention ainsi que son mode de fonctionnement,
    • la figure 2 schématise un exemple de séquence d'ouverture et de fermeture de vannes en fonction de l'évolution du niveau de liquide dans le séparateur,
    • la figure 3 représente les performances hydrauliques d'une série d'impulseurs adaptée à la compression d'un gaz et un moyen permettant de limiter leur désadaptation à une phase incompressible,
    • les figures 4A et 4B représentent une variante du système de compression décrit à la figure 1,
    • la figure 5 schématise un mode de réalisation plus général pour le système de compression-pompage.
    La figure 1 représente un exemple de réalisation pour le système de compression-pompage comportant les particularités de l'invention, donné à titre illustratif et nullement limitatif, pour mieux faire comprendre le principe de fonctionnement.
    Ce système permet d'élever la pression d'un fluide polyphasique et notamment la pression pour chacune des phases le constituant.
    L'expression « phase gazeuse » est utilisée pour désigner un fluide essentiellement gazeux ou un gaz issu de la séparation du fluide polyphasique, et l'expression « phase liquide » un fluide essentiellement liquide ou un liquide.
    Le système de compression-pompage alterné est par exemple intégré dans une même enceinte ou carter 1. Il comporte au moins une section 2 de pompage adaptée à un fluide essentiellement liquide et au moins une section 3 de compression dont les caractéristiques techniques sont adaptées à un fluide essentiellement gazeux mais qui peut aussi fonctionner pour un fluide essentiellement liquide. La section de compression est désignée sous l'expression « section de pompage à fonctionnement alterné » pour des raisons de simplification.
    Chacune des sections de compression 3 ou de pompage 2 comportent plusieurs étages composés d'impulseurs suivis de redresseurs. Ces impulseurs et redresseurs sont choisis parmi ceux qui sont habituellement utilisés dans les domaines du pompage et de la compression des fluides comportant plusieurs phases ou des fluides monophasiques.
    La section de compression 3 pourra comporter un ou plusieurs étages d'entrée qui seront adaptés pour finaliser la séparation du fluide polyphasique selon des méthodes classiques utilisées par l'Homme du métier. Ce mode de réalisation est avantageux lorsque le gaz comporte des gouttelettes de liquide même si ces dernières se présentent en faibles quantités.
    Les impulseurs de la section de compression 3 et de la section de pompage 2 sont par exemple solidaires d'un même arbre de rotation 4. Ces deux sections 2, 3 sont séparées par des moyens d'étanchéité 19 (figure 4A) permettant d'éviter la migration des phases entre les sections.
    Sans sortir du cadre de l'invention, ces sections peuvent aussi se présenter par exemple sous la forme de sections séparées et distinctes solidaires d'un même arbre de rotation.
    Il comporte de plus un dispositif de séparation 5 intégré par exemple dans le carter 1. Selon d'autres variantes de réalisation, le séparateur peut être solidaire ou séparé du carter.
    Le carter 1 et le séparateur 5 sont pourvus de plusieurs conduits d'introduction, d'extraction ou de transfert des phases essentiellement diphasiques (gaz-liquide) ou essentiellement monophasiques (gaz ou liquide), par exemple :
    • au moins un conduit 6 d'arrivée du fluide polyphasique à comprimer (auquel on va communiquer une certaine valeur d'énergie),
    • au moins un conduit 7 de transfert de la phase essentiellement liquide, reliant le séparateur 5 et la section 2 de pompage (la liaison étant effectuée par exemple au niveau du premier étage d'entrée de la section de pompage),
    • au moins un conduit 8 d'extraction de la phase essentiellement gazeuse, disposé de préférence dans la partie supérieure du séparateur 5, et qui est relié par exemple à l'entrée de la section 3 de compression. Le conduit 8 est équipé par exemple d'une vanne Vg3 fonctionnant en tout ou rien, qui est située le plus proche possible de l'entrée de l'étage d'entrée de la section de compression,
    • au moins un conduit 9 d'extraction de la phase essentiellement liquide, disposé au niveau du séparateur 5 de préférence dans sa partie inférieure, et qui est relié à l'entrée de la section 3 de compression. Ce conduit 9 est équipé d'une vanne Vl3 fonctionnant en tout ou rien, située le plus proche possible de l'entrée de la section de compression,
    • les conduits 8 et 9 peuvent déboucher au niveau d'un même étage d'entrée de la section de compression, par exemple dans une même volute (non représentée sur la figure pour des raisons de simplification mais connue de l'Homme du métier),
    • au moins un conduit 10 d'extraction de la phase essentiellement liquide qui a acquis une certaine énergie en passant à travers la section de compression-pompage à fonctionnement alternée, le conduit 10 peut être équipé d'une vanne Vl4,
    • un conduit 11 d'évacuation de la phase essentiellement liquide ayant acquis de l'énergie à travers la section de pompage 2, disposé en sortie de la section de pompage 2 ;
    Le conduit 11 peut se diviser en deux conduits 11a, 11b.
    Le conduit 11a est équipé d'une vanne de régulation Vl1 et permet de recycler une fraction au moins de la phase essentiellement liquide vers le séparateur 5. Cette fraction de liquide peut, sans sortir du cadre de l'invention, provenir d'une source extérieure de liquide reliée au conduit 11a.
    Le conduit 11b est pourvu par exemple d'une vanne Vl2 de régulation permettant de transférer une quantité de liquide vers un autre endroit. Un dispositif 14 de mesure de débit peut éventuellement équiper le conduit 11 :
    • un conduit 12 d'évacuation de la phase essentiellement gazeuse disposé à la sortie de la section de compression 3.
    Le conduit 12 est pourvu par exemple d'un dispositif de mesure de débit 13.
    Ce conduit se divise par exemple en deux conduits 12a, 12b.
    Le conduit 12a est pourvu d'une vanne de régulation Vg1 qui permet le recyclage d'une fraction du gaz comprimé vers la conduite d'arrivée de manière à la réintroduire dans le séparateur. Ce circuit de recyclage joue le rôle d'un circuit de protection de la section de compression.
    Le conduit 12b comporte par exemple une vanne Vg2 qui permet d'évacuer le gaz.
    Le circuit de protection (12a, Vg1) permet de maintenir un débit minimum de façon à protéger le système contre des fluctuations d'écoulement fortement destructives à débit réduit. Une des manières de le mettre en oeuvre est donné dans la suite de la description.
    Le système de recyclage (11a, Vl1) permet de maintenir un débit minimum de liquide de façon à protéger le système de compression-pompage alterné contre des vibrations engendrées à débit réduit.
    Les conduits 11b et 12b peuvent être réunis en un conduit unique 16 pour évacuer le fluide vers un lieu de destination ou un lieu de traitement.
    Le séparateur 5 et les différents conduits précités sont éventuellement équipés de moyens permettant de déterminer la pression et la température, tels que des capteurs CP, CT, non représentés pour des raisons de simplification de la figure.
    Le système de compression-pompage alterné comporte aussi un moyen pour déterminer la vitesse N de rotation de l'arbre 4 supportant les impulseurs des sections de compression et de pompage.
    Le séparateur 5 est équipé de moyens par exemple un ou plusieurs capteurs CL pour déterminer le niveau de l'interface liquide-gaz. Avantageusement, ce ou ces capteurs sont capables de suivre l'évolution du niveau de liquide à l'intérieur du séparateur.
    L'ensemble des dispositifs de mesure est relié à un système de contrôle-commande 15 qui est capable de mémoriser les différentes informations, de les traiter et d'envoyer des signaux permettant d'agir sur les différentes vannes équipant le système selon une méthode dont un exemple est donnée ci-après.
    Le système de contrôle-commande 15 est ainsi capable de piloter les différentes opérations données en tant qu'exemple non limitatif et illustratif ci-après.
    Pour décrire les étapes de la méthode mise en oeuvre à l'aide de ce système, on définit les paramètres suivants :
    • une valeur moyenne de GLR, désignée GLRmo, qui se réfère à une très longue durée de production, par exemple de l'ordre du mois. Cette valeur, ainsi que la valeur du débit volumique total sont utilisées pour dimensionner les vannes et les impulseurs associés aux sections de compression et de pompage,
    • selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, deux valeurs pour la vitesse de rotation NP1 et NP2. Ces deux valeurs correspondent respectivement aux vitesses de fonctionnement « normales ou adaptées ou optimisées » lorsque la section de compression est traversée par un fluide essentiellement gazeux et lorsque la section de compression est traversée par un fluide essentiellement liquide,
    • par exemple cinq valeurs de niveaux seuils dans le séparateur références L0, L1, L2, L3 et L4. L'évolution du niveau de liquide dans le séparateur est « surveillé » par le capteur de niveau CL précité,
    • le niveau seuil L3 qui est un niveau de régulation autour duquel on cherchera de préférence à rester, pour éviter des basculements trop fréquents pour les sections de compression et de pompage,
    • des modes de fonctionnement :
    • Le mode P 1 : la section dite de compression est traversée ou sur le point d'être traversée par un gaz,
    • Le mode P 2 : la section dite de compression est traversée ou sur le point d'être traversée par un liquide.
    Le basculement du mode P1 vers le mode P2 s'effectue lorsque le niveau de liquide dans le séparateur devient supérieur à L0. Le basculement du mode P2 vers le mode P1 s'effectue lorsque le niveau de liquide dans le séparateur devient inférieur à L2 Le basculement entre les modes de fonctionnement entraíne un changement des états dans lesquels se trouvent les vannes.
    Le changement d'état pour les différentes vannes peut être le suivant, le niveau L est le niveau de l'interface variable et surveillé par le capteur CL de niveau à l'intérieur du séparateur:
    De manière à faire comprendre les différentes étapes, on se positionne initialement à un moment où l'interface liquide-gaz du fluide introduit par le conduit 6 se situe autour du niveau L3.
    Fonctionnement en mode P 1 et passage en mode P 2
    Pour le niveau de référence L3 pris comme point de départ, les positions ou états d'ouverture et de fermeture des différentes vannes sont les suivants :
    • la vanne Vg2 de sortie de gaz est entièrement ouverte et la vanne Vg1 de recyclage de gaz est entièrement fermée,
    • la vanne Vl1 de recyclage de liquide est partiellement ouverte. La vanne Vl2 de sortie de liquide est partiellement fermée, le degré de fermeture augmentant avec la valeur de GLRmo de façon à se prémunir contre une arrivée soudaine et relativement importante de liquide (par rapport au cas de fonctionnement normal). Ainsi pour une valeur de GLRmo, par exemple de l'ordre de 10, il ne sera pas nécessaire de sur - dimensionner la vanne Vl2 alors que pour une valeur supérieure (respectivement très supérieure), il conviendra de légèrement (respectivement largement) sur - dimensionner l'ouverture maximale de cette vanne par rapport à la production normale de liquide,
    • les vannes Vg3 et Vl3 de sortie de gaz et de liquide sont respectivement entièrement ouverte et fermée,
    • la vanne Vl4 d'extraction de liquide est entièrement fermée.
    Le système reste dans cet état tant que l'interface liquide-gaz ne s'éloigne pas de la valeur seuil L3, ceci est contrôlé par exemple à l'aide du capteur de niveau CL. Le fluide envoyé à la section de compression est un fluide essentiellement gazeux.
    Dans le cas où la composition du fluide provenant du conduit 6 varie de façon telle que la quantité de liquide va provoquer un engorgement du séparateur, le système de contrôle-commande 15 va agir sur les différentes vannes pour faire basculer la section de compression-pompage d'un mode de fonctionnement pour le gaz à un mode de fonctionnement pour le liquide, et donc faire passer un fluide essentiellement liquide dans la section de compression. Ceci correspond au passage du mode de fonctionnement P1 vers le mode de fonctionnement P2 qui peut être effectué en tenant compte d'un ou plusieurs niveaux intermédiaires de référence, par exemple dans l'exemple donné ci-dessous à titre illustratif et nullement limitatif deux niveaux intermédiaires L2 L1, et donc des changements intermédiaires dans l'état des vannes.
    Lorsque le niveau L devient supérieur à L3, le système 15 de contrôle - commande agit pour que la vanne Vl1 se ferme graduellement et la vanne Vl2 s'ouvre graduellement. Leurs ouvertures sont soumises à un mode de régulation de type PID ou autre, connus de l'Homme du métier. Lorsque le niveau L devient inférieur à L3, la logique inverse s'applique.
    L'évolution de l'état des vannes peut être suivie sur les diagrammes 2A et 2B de la figure 2.
    La figure 2 schématise un exemple de séquence d'ouverture et de fermeture des vannes Vl1, Vl2, Vg1, Vg2, Vg3, Vl3 et Vl4 en fonction de l'évolution du niveau de liquide dans le séparateur, pour une séquence de basculement comportant le passage du mode de fonctionnement P1 vers le mode P2 et inversement du mode P2 vers le mode P1. Les schémas sont donnés dans deux diagrammes 2A, et 2B représentant l'état des vannes Vl1, Vl2, Vg1, Vg2 et Vg3, Vl3 et Vl4, ; dont l'évolution est représentée par les courbes (III)gi et (III)li, les indices i correspondant au numéro des vannes, et les lettres g et I aux phases gazeuse et liquide.
  • en abscisse on a représenté l'évolution du niveau de l'interface dans le séparateur et
  • en ordonnée on a représenté :
  • courbe I : la vitesse de rotation, sur l'échelle des ordonnées l'indice 0 correspond à une vitesse de rotation nulle, et l'indice 100 à une vitesse de rotation nominale,
  • courbe II, le niveau de liquide dans le séparateur (0 :niveau L4; 100 : niveau L0), et
  • courbes (III)gi et (III)li le degré d'ouverture des vannes pour le gaz (indice gi) et pour le liquide (indice li) sur l'échelle, 0 correspond à la fermeture des vannes, et 100 à l'ouverture des vannes.
    • Les références MP1, MP2 et PS correspondent au fonctionnement en mode P1, P2 ou en mode P1 stabilisé autour du niveau L3.
    L'évolution de l'état des vannes pour mettre en oeuvre le procédé peut être la suivante :
  • Lorsque le niveau L devient supérieur à L2, le système de contrôle - commande agit pour fermer au moins partiellement la vanne Vg2, ouvrir partiellement la vanne Vg1, fermer entièrement la vanne Vl1 et ouvrir entièrement la vanne Vl2 (cf. diagramme 2A figure 2). La fermeture de la vanne peut être réalisée en suivant une loi sensiblement linéaire.
  • Le niveau L de l'interface liquide-gaz continuant à monter à l'intérieur du séparateur, dès qu'il devient supérieur à L1, le système 15 de contrôle - commande agit pour fermer entièrement la vanne Vg2 de façon à se prémunir d'une entrée de la phase liquide dans la section de compression, et pour ouvrir la vanne Vg1 afin de maintenir un débit de gaz supérieur au débit minimum dans la section de compression permettant d'assurer un bon fonctionnement de la section de compression.
    • De plus, on pourra diminuer la vitesse de rotation selon une loi sensiblement linéaire.
    Au cours des deux étapes qui viennent d'être décrites, le système de contrôle-commande en agissant sur les vannes, a positionnées ces dernières dans des états intermédiaires (ou états préliminaires) à l'état dans lesquelles elles devront être mises pour le passage du mode de fonctionnement de P1 vers le mode de fonctionnement P2.
    Ce dernier passage est déclenché lorsque le niveau L devient supérieur à L0. Le système 15 de contrôle - commande agit pour diminuer la vitesse de rotation jusqu'à la vitesse de rotation NP2 et fermer entièrement la vanne Vg3, ouvrir entièrement la vanne Vl3 de façon à diriger le liquide vers la section de compression et ouvrir la vanne Vl4 (référence >L0(t1) sur le diagramme 2B de la figure 2). Le basculement de mode de fonctionnement étant achevé, le système 15 de compression-pompage va ouvrir la vanne Vg2 de façon à évacuer le liquide au travers de la section de compression, et fermer la vanne Vg1 entièrement. (référence >L0(t2) sur le diagramme 2B de la figure 2)
    L'ouverture de la vanne Vl4 permet de limiter la désadaptation des étages de compression lors d'un fonctionnement avec une phase très peu compressible (phase essentiellement liquide) comme il est montré sur la figure 3.
    En mode P1, le débit de liquide d'entrée peut être insuffisant pour maintenir le niveau de liquide au niveau de L3. Lorsque le niveau L devient inférieur à L4, le système 15 de contrôle - commande agit pour que la vanne Vl2 se ferme entièrement, de façon à se prémunir d'une entrée de la phase gazeuse dans la section liquide et pour augmenter l'ouverture de vanne Vl1, de façon à permettre un fonctionnement à un débit supérieur au débit minimum en dessous duquel les vibrations apparaissent. Ce mode de fonctionnement est maintenu tout pendant que le niveau de liquide est inférieur à L4. Lorsque le niveau de liquide devient supérieur à L3, la vanne Vl2 reprend l'ouverture correspondant à un cas de fonctionnement normal et l'ouverture de la vanne Vl1 s'ajuste de façon à réguler le niveau de liquide autour L3.
    Passage du mode P 1 au mode P 2 et fonctionnement pendant une période de temps dans le mode P2
    En mode de fonctionnement P2, la section dite de compression est traversée par une phase essentiellement liquide, donc ayant une densité élevée. Le taux de compression peut alors être très élevé et voire trop élevé par rapport à la tenue mécanique des impulseurs, du carter et des installations habituellement utilisées et situées en aval du carter. Avantageusement, la vitesse de rotation Np2 est choisie de telle façon que la pression de refoulement soit approximativement égale à celle obtenue en mode P1, compte tenu des densités de chaque phase, et pour que NP2<NP1.
    Les positions des vannes et la vitesse de rotation sont maintenues dans l'état qui a suivi le basculement tant que le niveau reste supérieur à L2 de façon à éviter des changements de mode trop fréquents, cas par exemple de basculements de P1 en P2 et de P2 en P1 déclenchés par un même niveau de liquide.
    Passage du mode P 2 vers le mode P 1
    Lorsque le niveau L devient inférieur à L2, le système de contrôle - commande fait basculer progressivement le mode de fonctionnement du système de compression du mode P2 vers le mode P1.
    La première phase du basculement (diagramme 2B de la figure 2 <L2(t3)) consiste à ouvrir totalement la vanne Vg3, ouvrir partiellement la vanne Vg1 et fermer les vannes Vl3 et Vl4 de façon à diriger le fluide gazeux contenu dans le séparateur vers la section de compression.
    Cette opération achevée, (diagramme 28 de la figure 2 <L2(t4)) le système de contrôle - commande agit pour ouvrir la vanne Vg2 (pratiquement entièrement, L3(t5)) de façon à permettre l'évacuation du gaz lorsque la pression en sortie de la section de compression atteint une pression supérieure à la pression mesurée en aval de la jonction Js, remettre la vanne Vl2 dans une position d'ouverture sensiblement identique à la position correspondante au cas de fonctionnement normal précédemment défini et ouvrir la vanne Vl1 de façon à permettre le maintien du niveau de liquide autour de L3. A L3(t5) on observe le début de la fermeture de la vanne Vg1.
    Après un temps de l'ordre de quelques minutes, le système de contrôle - commande agit pour fermer la vanne Vg1 entièrement (diagramme 2A de la figure 2 L3(t6)) et pour remettre la valeur de la vitesse de rotation à une valeur correspondant sensiblement à la valeur Np1 (mode P1). Toutefois l'ouverture de la vanne Vg1 est maintenue dans un état tel que le débit de gaz soit supérieur au débit correspondant au débit minimum autorisé (protection anti - pompage). Cette valeur de débit est précisée par rapport aux caractéristiques de la section de compression.
    La figure 3 représente, dans un diagramme coefficient de débit (en abscisse), coefficient de pression (en ordonnées), l'évolution de points de fonctionnement de la section de compression-pompage à fonctionnement alterné, lorsque le système de compression-pompage est équipé de moyens permettant d'adapter au moins une série d'étages de compression au pompage d'un liquide, sachant que ces étages de compression ont été initialement choisis par rapport à un fluide essentiellement gazeux. Ces moyens sont par exemple dans l'exemple donné un ou plusieurs conduits d'extraction équipés de vannes permettant de contrôler le passage des fluides.
    Les courbes Ei, représentent les courbes de fonctionnement du système de compression-pompage, i étant le numéro de l'étage de compression
  • Les points Ai correspondent au point de fonctionnement pour une phase compressible,
  • les points Ci à l'évolution sur les courbes de fonctionnement du point de fonctionnement pour le pompage d'un liquide avec une étape d'extraction,
  • les points Bi à l'évolution du point de fonctionnement pour le pompage d'un liquide lorsqu'il n'y a pas d'étape d'extraction.
    • Le terme « adaptation » d'un étage signifie dans le cadre de la présente invention, le fonctionnement d'un étage à un débit correspondant au point de meilleur rendement, point qui est connu du spécialiste des machines de compression. Les coefficients de débit et de pression d'un étage sont des grandeurs adimensionnelles qui sont respectivement proportionnelles au débit volumique de l'étage et à la hauteur manométrique, deux paramètres connus du même spécialiste.
    Dans l'exemple donné en référence avec cette figure 3, la section de compression est composée de quatre étages : références E1 à E4.
    Lorsque la section de compression fonctionne avec un fluide essentiellement gazeux, l'adaptation des étages est représentée par les points A1 à A4, les débits volumiques diminuant du premier vers le dernier étage, compte tenu de la compressibilité du gaz.
    Lorsque la section de compression fonctionne au liquide, sans apporter de modifications techniques par rapport aux caractéristiques choisies pour le gaz, le fonctionnement du premier étage au point B1 entraíne le fonctionnement des étages suivants respectivement aux points B2, B3 et B4. Si un étage est parfois bien adapté, l'étage E2 (point B2), les étages situés en amont et en aval de cet étage sont généralement très mal adaptés. Ainsi les étages E1 et E3 donneront de très mauvais rendements et engendreront des échauffements ainsi que des fluctuations d'écoulement. Quant à l'étage E4, (représenté par le point B4), il diminuera l'énergie apportée au fluide (taux de compression inférieur à 1) par les étages E1 à E3.
    Il est possible d'adapter une série d'étages (initialement adaptés à la compression d'un gaz) au pompage d'un liquide en extrayant une partie du liquide en aval d'un ou de plusieurs étages, le débit extrait étant renvoyé vers le séparateur 5.
    Pour cela le système de compression selon l'invention comporte au moins un conduit d'extraction 10 disposé entre deux étages de compression et d'une vanne Vl4. La fraction de fluide extraite de la section de compression peut être envoyée vers le séparateur 5 ou encore vers un point extérieur au système de compression-pompage selon l'invention.
    Ainsi sur la figure 3 on a représenté, le cas où une extraction est effectuée en aval du second étage E2, afin d'obtenir un fonctionnement selon les points C1 à C4, voisins du point de fonctionnement optimum. En augmentant le nombre d'extractions il est possible de parfaire l'adaptation de la section de compression lorsqu'elle doit fonctionner avec un fluide liquide. Ainsi en effectuant trois extractions, en aval des étages E1 à E3, il sera possible de faire fonctionner, avec un liquide, les étages sur les points A1 à A4.
    Le débit de liquide extrait est déterminé par un dimensionnement approprié du conduit d'extraction 10 (longueur et diamètre) ou par l'introduction d'un organe dissipatif d'énergie connu de l'homme du métier (restriction, orifice, vanne de type ou tout rien) dans ce conduit.
    La figure 4A représente une variante de réalisation comportant des moyens permettant d'optimiser l'étape de séparation du fluide.
    Cette variante comporte un séparateur 5 statique présentant un volume réduit comparé aux dimensions des séparateurs utilisés conventionnellement en amont des machines monophasiques.
    Le séparateur seul effectue une séparation grossière des phases par simple action de la gravité terrestre. Une amélioration de la séparation des phases peut être obtenue en mettant en rotation les phases essentiellement gazeuse et liquide dans le séparateur 5.
    La mise en rotation peut par exemple être obtenue en disposant les aspirations des conduits (7, 8, 9) de manière tangentielle à la paroi du séparateur 5 et sensiblement perpendiculairement à l'axe de symétrie du séparateur (au centre de symétrie du séparateur) (non représentées sur la figure 4A) comme il est décrit dans la demande de brevet du demandeur FR 98/00933. Les aspirations des conduits 7 et 9 sont disposées en dessous du niveau L4 alors que l'aspiration du conduit 8 est disposée au-dessus du niveau L0.
    Une séparation fine des gouttelettes contenue dans la phase gazeuse peut être obtenue en effectuant une séparation dynamique ou encore une séparation statique :
    La séparation dynamique peut être réalisée par un agencement de plusieurs éléments tels que ceux décrits sur la figure 4A
    • en disposant des disques tournants Dg dans la partie supérieure du ballon séparateur 5, par exemple au-dessus du niveau L0
    Dans cet exemple, l'arbre de rotation 4 commun à la section 2 de pompage et à la section 3 de compression pénètre dans le séparateur 5 statique de la figure 4A et sert de support à la série de disques.
    La rotation des disques entraíne la mise en rotation de la phase gazeuse à l'intérieur du séparateur. Sous l'effet des forces centrifuges ainsi générées, les gouttelettes plus lourdes se déportent vers la paroi interne du séparateur.
    Le diamètre de l'arbre 4 ou d'une partie de cet arbre supportant les disques Dg est dimensionné en fonction du couple à transmettre et de la rigidité requise. L'arbre pourra être constitué de plusieurs éléments, le couplage se faisant par engrenage, accouplement flexible, magnétique ou autre.
    Les disques Dg sont par exemple disposés de façon à éviter le fonctionnement des disques au niveau de l'interface huile-gaz et la formation d'émulsion.
    Le diamètre de ces disques et la distance entre les disques d'une même série peuvent être déterminés en fonction du degré de séparation souhaité en amont des sections de pompage et de compression. Par exemple, on déterminera ces paramètres en fonction des diamètres limites pour les gouttelettes. Ces paramètres peuvent être calculés à l'aide d'un code de calcul tridimensionnel disponible à l'Homme du métier.
    La séparation statique peut être réalisée :
    • en utilisant un conduit hélicoïdal ascendant (figure 4B), présentant un faible rayon de courbure d'hélice, en amont du conduit 8 , comme il est détaillé dans la demande de brevet précitée.
    Sur cette figure, un conduit 20 de forme hélicoïdale est disposé autour du conduit 7 permettant le passage de la phase liquide vers la section de pompage et qui est disposé sensiblement au niveau de l'axe central du séparateur. Le gaz contenant les gouttelettes de liquide pénètre par l'entrée 21. Au cours de son déplacement dans la conduite hélicoïdale, les gouttelettes se déposent le long de la paroi de la conduite par action d'une force centrifuge. La conduite étant ascendante dans cet exemple de réalisation nullement limitatif, le liquide déposé retombe dans le séparateur par l'entrée 22 du gaz tandis que le gaz ressort au point 23 (entrée de la conduite 8). Les caractéristiques du tube hélicoïdal (diamètre du tube, rayon de l'hélice et pente de l'hélice) sont dimensionnées de façon à permettre la retombée du liquide déposé par l'entrée 22.
    Le dispositif d'étanchéité 19, représenté sur la figure 4A, permet d'éviter la migration des phases entre les sections de compression et de pompage. Un exemple de dispositif est détaillé dans la demande de brevet précitée FR-98/00.933, dont l'enseignement technique relatif à ce moyen d'étanchéité est incorporé par référence.
    La fiabilité de la mesure du niveau dans le séparateur étant essentielle pour la protection des éléments tournants, la mesure de niveau peut être réalisée par exemple à l'aide de trois capteurs fonctionnant selon le principe d'une logique majoritaire (lorsqu'un capteur fournit une information différente des deux autres, l'information du premier est écartée au profit des deux autres).
    En mode P1, les lignes 12a et 11a peuvent également être utilisées de façon à éviter le fonctionnement de la section de compression et de la section de pompage dans la zone de débit réduit pouvant conduire à l'endommagement rapide de la section de compression (anti - pompage) et à la génération de fluctuations de pression et de vibrations en ce qui concerne la section de pompage.
    De façon à anticiper l'arrivée d'un bouchon de liquide ou d'un volume important de liquide et d'assurer une meilleure protection de l'équipement de production polyphasique, un système de mesure de taux de liquide et de sa vitesse de déplacement peut être installé en amont de l'équipement, de façon à anticiper les actions sur les vannes ainsi que sur la régulation de vitesse.
    Une régulation par logique floue tenant compte d'un grand nombre de paramètres (par exemple, du niveau de liquide dans le ballon - séparateur, du degré d'ouverture de l'ensemble des vannes, du taux de liquide et de sa vitesse de déplacement en amont du système de compression - pompage) peut être mise en oeuvre de façon à permettre une meilleure optimisation de la production par rapport à une régulation conventionnelle tout en assurant une meilleure protection de l'équipement.
    Les principes de fonctionnement d'une logique majoritaire, d'une logique floue, d'une protection contre un débit minimum, d'une mesure de taux et de vitesse de liquide dans une conduite sont connus de l'homme du métier.
    Le dispositif de compression diphasique pourra être précédé d'un dispositif 18 (figure 1) ralentisseur de bouchons de liquide afin de limiter les risques d'engorgement en liquide du ballon séparateur et de limiter par conséquent le nombre de basculements d'un mode à un autre.
    Ce dispositif est par exemple disposé en amont de la jonction des conduits 6 et 12a. Il fonctionne sur le principe d'une augmentation des pertes de charge pour une même vitesse d'écoulement lorsque le taux de liquide augmente et d'une accentuation de cet effet à une courte distance de l'entrée du dispositif de compression diphasique. Le dispositif pourra être constitué d'une restriction en diamètre, d'un orifice, d'une vanne ou de tout autre organe pouvant occasionner une perte de charge.
    Dans le détail, le ralentisseur réagira avec le système de compression diphasique rotodynamique de la façon suivante : pour une vitesse de rotation donnée et une pression de refoulement donnée, à une augmentation de taux de liquide à l'entrée du dispositif de compression diphasique correspondra une augmentation des pertes de charge, une diminution de la pression d'aspiration et une augmentation du taux de compression. Avec une machine rotodynamique, à une vitesse de rotation donnée, une augmentation du taux de compression entraíne une diminution du débit volumique à l'entrée et par voie de conséquence une diminution de vitesse de l'écoulement dans le ralentisseur 18.
    Cet effet est illustré dans les tableaux ci-dessous dans deux cas de fonctionnement distincts et avec les hypothèses suivantes : vitesse de rotation et pression de refoulement constantes.
    Cas 1 - Conditions à l'entrée du dispositif diphasique (pour GLR = 1000) : pression = 2,5 MPa abs, débit volumique total = 12000 m3/hr et diamètre de la conduite = 16 pouces.
    GLR d'entrée 1000 60 17 8 5 < 5
    Perte de charge 0.035 0.06 0.11 0.18 0.26 >0. 26
    Débit gaz seul 12000 11400 10800 9400 7000 0
    Débit gaz + liquide 12000 11600 11400 10600 8400 0
    Cas 2 - Conditions à l'entrée du dispositif diphasique (pour GLR = 1000) : pression = 1 MPa abs, débit volumique total : 12000 m3/hr et diamètre de la conduite = 16 pouces.
    GLR d'entrée 1000 29 17 11 <11
    Perte de charge (1) 0.014 0.059 0.091 0.129 >0. 129
    Débit gaz seul (2) 12000 10300 8600 7000 0 (3)
    Débit gaz + liquide (2) 12000 10600 9100 7600 0 (3)
    En fonctionnement réel, une diminution de la production de gaz entraíne progressivement une diminution de la pression du réseau au voisinage du refoulement du compresseur permettant une plus grande absorption de débit de gaz d'où un moindre ralentissement de la production que celui indiqué par les tableaux ci - dessus.
    Dans le cas où la vitesse de rotation est asservie à la pression de refoulement, une diminution de cette pression entraíne une augmentation de la vitesse de rotation et une accélération locale de l'écoulement au voisinage du compresseur d'où un moindre ralentissement de la production que celui indiqué par les tableaux ci - dessus.
    Cependant quelque soit la dynamique du réseau et le choix du mode de régulation en vitesse du compresseur, le ralentisseur situé en amont du compresseur permet dans tous les cas de figures une augmentation des pertes de charge et par conséquent une diminution du débit volumique d'entrée lorsque le GLR diminue.
    La figure 5 représente de façon schématique un système de compression-pompage alternée adapté par exemple pour tous les domaines d'application où l'on doit communiquer de l'énergie à plusieurs fluides, dont l'un est essentiellement liquide et l'autre essentiellement gazeux.
    Dans ce cas, le système de compression-pompage alterné comporte une section de compression 50 à fonctionnement alternée gaz-liquide, présentant l'une des caractéristiques décrites de la section de compression-pompage décrite à la figure 1.
    Deux conduits d'arrivée (51, 52) par exemple un conduit pour l'introduction du fluide liquide et un conduit pour l'introduction du gaz.
    Des moyens permettant de déterminer en amont la nature du fluide qui arrive dans le système de compression, disposés par exemple sur les conduits d'arrivée.
    Un conduit 53 de sortie du fluide ayant acquis de l'énergie.
    Un conduit d'évacuation 54 d'un fluide essentiellement liquide, la majorité du liquide étant évacué après avoir acquis de l'énergie par le conduit 53 et le reste passe par le conduit 54 de façon à permettre l'adaptation de la section de compression au passage du liquide.
    Des moyens de contrôle commande sensiblement identique aux moyens références 15 et décrits précédemment. Ces moyens tiennent compte notamment du résultat de la détermination du fluide arrivant pour commander le basculement de fonctionnement de la section de compression-pompage en mode P1 ou en mode P2.
    Des moyens tels que des vannes 55, 56, 57 et 58 disposées respectivement sur les conduits 51, 52, 53 et 54. Ces vannes assurent le passage ou non du fluide essentiellement liquide ou du fluide essentiellement gazeux vers la section de compression à fonctionnement alterné ou à partir de la section de compression alterné.

    Claims (14)

    1. Système (1) de compression- pompage alterné permettant de communiquer de l'énergie à un fluide, ledit fluide pouvant être liquide ou gazeux, le système étant caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants :
      au moins une section (50) de compression-pompage à fonctionnement alterné, adaptée à communiquer une valeur de pression à un fluide essentiellement liquide ou à un fluide essentiellement gazeux, ladite section (50) de compression-pompage comportant au moins un conduit (51) d'introduction d'un fluide essentiellement liquide au moins un conduit (52) d'introduction d'un fluide essentiellement gazeux, au moins un conduit (53) d'évacuation d'un fluides ayant acquis une certaine valeur d'énergie par passage dans ladite section de compression et au moins un conduit (54) d'évacuation d'un fluide essentiellement liquide,
      des moyens permettant de déterminer la nature dudit fluide arrivant dans ledit système, lesdits moyens étant disposés en amont dudit système,
      des moyens (54, 55, 56, 57) permettant de contrôler le débit du liquide ou du gaz,
      des moyens (15) de contrôle-commande permettant de faire varier l'état desdits moyens de contrôle de débit de manière à faire passer la section de compression d'un mode de fonctionnement adapté au gaz à un mode de fonctionnement pour le liquide et réciproquement.
    2. Système selon la revendication 1 permettant de communiquer de l'énergie à un fluide polyphasique ayant une composition variable dans le temps, comportant en outre :
      au moins une section (2) de pompage choisie pour communiquer de l'énergie à un fluide essentiellement liquide, ladite section de pompage comportant au moins un conduit (7) d'introduction d'une phase essentiellement liquide et au moins un conduit d'évacuation (11) de la phase liquide pompée
      lesdits moyens permettant de déterminer la nature du fluide arrivant dans le système comportant au moins un dispositif (5) de séparation des différentes phases constituant le fluide polyphasique, ledit dispositif (5) de séparation étant relié à un conduit d'introduction (6) du fluide polyphasique, et au conduit (10) d'évacuation de liquide provenant de la section de compression-pompage alternée, ledit dispositif (5) comportant au moins un conduit (8) d'évacuation de la phase gazeuse et au moins un conduit (9) d'évacuation de la phase liquide, ledit dispositif de séparation (5) étant pourvu de moyens (CL) permettant de détecter le niveau de l'interlace gaz-liquide, du fluide introduit dans le dispositif (5) de séparation,
      lesdits moyens (Vgi, Vli) permettant de contrôler le débit des phases liquides ou gaz agissant au niveau des différents conduits (9, 10, 11a, 11b, 12a, 12b).
    3. Système selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un sous-conduit (12a) de recyclage d'une fraction au moins du fluide essentiellement gazeux issu de la section de compression-pompage (3) vers le dispositif de séparation (5).
    4. Système selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit (11a) de recyclage d'une fraction au moins du fluide essentiellement liquide issu de la section de pompage (2) vers le dispositif de séparation (5).
    5. Système selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le dispositif de séparation (5) est associé à au moins un des éléments suivants :
      un conduit hélicoïdal (20) destiné à effectuer la séparation des gouttelettes de liquide de la phase gazeuse,
      une série de disques montés sur ledit arbre (4) de rotation, ledit arbre de rotation se prolongeant dans ledit séparateur (5).
    6. Système selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que la section de compression comporte au moins un étage permettant d'obtenir la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide se présentant sous forme de gouttelettes.
    7. Procédé pour communiquer de l'énergie à un fluide qui peut être soit essentiellement liquide soit essentiellement gazeux, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes :
      a) on détermine la nature du fluide auquel on doit communiquer de l'énergie,
      b) on envoie ledit fluide quelque soit sa nature à une section (50) de compression-pompage à fonctionnement alternée,
      c) on adapte simultanément lors de l'étape b) ladite section de compression-pompage à fonctionnement alterné à la compression du fluide lorsque ce dernier est essentiellement gazeux ou au pompage du fluide lorsque ce dernier est essentiellement liquide,
    8. Procédé selon la revendication 7, permettant de communiquer de l'énergie à chacune des phases d'un fluide polyphasique comportant au moins une phase liquide et au moins une phase gazeuse, la quantité de la phase essentiellement liquide et la quantité de la phase essentiellement gazeuse pouvant varier dans le temps, ladite phase gazeuse étant envoyée vers une section de compression-pompage à fonctionnement alterné et ladite phase liquide étant envoyée vers une section de pompage ou vers ladite section de compression-pompage à fonctionnement alterné, les sections faisant partie d'un système de compression-pompage alterné,
      dans lequel avant l'étape a), on sépare ledit fluide polyphasique en une phase essentiellement gazeuse et une phase essentiellement liquide,
      et dans lequel aux étapes b), c) et d) on effectue les opérations suivantes:
      on détermine le niveau L de liquide ou de l'interface liquide-gaz dans un dispositif (5) de séparation,
      on compare le niveau L à une valeur seuil L0,
      si L est supérieure à L0, on agit sur un ensemble de moyens de régulation (Vgi, Vli) de débit des phases liquide et gaz de manière à faire passer la section (3) de compression-pompage à fonctionnement alterné dudit système de compression-pompage alterné d'un mode de fonctionnement P1 pour un fluide essentiellement gazeux à un mode de fonctionnement P2 pour un fluide essentiellement liquide,
      en fermant pratiquement entièrement un premier moyen de contrôle (Vg3), ouvrant pratiquement entièrement un deuxième moyen de contrôle (Vl3) de façon à diriger le liquide vers la section de compression et en ouvrant un troisième moyen de contrôle (Vl4)
      on contrôle le niveau de L en permanence,
         dès que le niveau de L devient inférieur à un niveau de seuil L2, on agit sur les moyens de contrôle de débit pour faire passer la section de compression du mode P2 au mode P1,
         en ouvrant pratiquement entièrement le premier moyen de contrôle (Vg3), en fermant pratiquement entièrement le deuxième moyen de contrôle (Vl3) de façon à diriger le gaz vers la section de compression et en fermant le troisième moyen de contrôle (Vl4).
    9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'on fait varier lors du passage du mode P1 au mode P2, la vitesse initiale de rotation NPt vers une vitesse de rotation NP2, ladite vitesse de rotation NP2 étant choisie de façon telle que la valeur de la pression au refoulement de la section de compression obtenue lors du passage d'un fluide gazeux soit sensiblement identique à la valeur de pression de refoulement lorsque la section est parcourue par un fluide liquide et réciproquement on fait varier la vitesse de rotation lors du passage du mode P2 au mode P1.
    10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9 caractérisé en ce que l'on continue à séparer les gouttelettes de liquide dans la phase gazeuse à l'intérieur d'un étage de compression disposé au niveau de la section de compresion-pompage alterné.
    11. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que si la valeur de L est inférieure à L4, on recycle une majorité de la fraction liquide issue de la section de pompage vers l'étape a) de séparation.
    12. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que l'on recycle au moins une fraction de la phase gazeuse issue de la section de compression vers le dispositif de séparation de manière à maintenir un débit minimum de fluide dans ladite section de compression.
    13. Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 6 et du procédé selon l'une des revendications 7 à 12 pour transférer une certaine énergie à la phase liquide et à la phase gazeuse d'un effluent pétrolier.
    14. Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 6 et du procédé selon l'une des revendications 7 à 12 pour transférer une certaine énergie à la phase liquide et à la phase gazeuse d'un gaz humide, tel qu'un gaz à condensat, ou un gaz associé.
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