FR2596291A1 - Melangeur de matiere pulverulente et de liquide, notamment de ciment et d'eau, ou liquide-liquide - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN MELANGEUR CENTRIFUGE COMPORTANT UN ROTOR SUPERIEUR 3 DE PROJECTION DES PARTICULES ACCOLE A ET SOLIDAIRE D'UN ROTOR 4 DE CENTRIFUGATION D'UN FLUIDE 15. L'INVENTION RESIDE DANS LA CREATION PAR UN ELEMENT DE TYPE 27 D'UNE ZONE DE BASSE PRESSION DANS LA ZONE DE HAUTE PRESSION DE L'ESPACE 23, POUR INTRODUIRE LES PARTICULES 20. AMELIORATION REMARQUABLE DU MELANGE D'EAU ET DE CIMENT. APPLICATION AUX SERVICES PETROLIERS.

Description

MELANGR DE MATIERE PULVEULFT ET DE LIQK/DE, KAIMENT DE

CIMENT ET D'EAU, OU LIUIDE-LIQUIDE

L'invention concerne un dispositif pour le mélange d'un matériau pulvérulent et d'un liquide, notamment le mélange de 5 poudre de ciment et d'eau. Une application plus particulièrement visée concerne la cimentation des puits pétroliers, de gaz,

géothermiques ou autres.

De tels dispositifs sont connus depuis fort longtemps, par exemple par le brevet US-A-1486883 datant de 1922. Le souci 10 d'améliorer la qualité du mélange et la perfection de sa réalisation a conduit à de nombreuses publications, dont la plus

notable est oertainement le brevet US--A-4453829.

Ce document enseigne un mélangeur associant dans un même carter deux rotors accolés: un rotor supérieur projette vers sa 15 périphérie le matériau granulaire qu'il reçoit en son centre par simple gravité d'une ouverture centrale supérieure du carter; un rotor inférieur aspire en son centre un fluide deébouchant d'une ouverture centrale inférieure du rotor et le refoule par centrifugation vers sa périphérie. Le rcélange entre le matériau 20 granulaire et le fluide s'opère dans la zone périphérique mitoyenne des deux rotors et est évacué du carter par une sortie adéquate. Le mélangeur ainsi décrit donne parfaitement satisfaction lorsque le

matériau granulaire est du sable et le fluide un gel.

Mais on s'est aperçu que le fonctionnement de ce mélangeur 25 est moins satisfaisant lorsqu'il s'agit de mélanger un matériau pulvérulent de granulométrie très fine, tel que du ciment, à de l'eau. D'une part, les poudres fines entraînent avec elles une quantité non négligeable d'air qui se libère dans la zone 30 périphérique de mélange du mélangeur. Cet air ne peut pas être centrifugé par le rotor supérieur et ne peut donc s'évacuer du carter par la sortie du mélange. Il s'accumule dans cette zone et

finit par empêcher le fonctionnement normal du mélangeur.

D'autre part, si des matériaux tels que le sable s'accomodent bien d'une alimentation par simple gravité au niveau du rotor supérieur, il n'en est pas de même des poudres fines dont la légèreté les rend très sensibles aux perturbations de pression

dans cette zone.

Par ailleurs, l'appareil connu ne permet pas un réglage aisé de la densité du mélange obtenu. Or on sait que pour réussir la cimentation d'un puits pétrolier, il est nécessaire de régler

précisément et facilement la densité du ciment utilisé.

L'objet de la présente invention est de proposer un mélarngeur fontionnant de manière extrêmement satisfaisante même

avec les poudres fines.

L'invention vise en particulier à proposer un dispositif de mélange particulièrement bien adapté aux poudres de ciment et dans lequel le réglage de la densité s'effectue très simplement et

cependant avec une grande précision.

- 15 Le mélangeur de l'invention est du type mélangeur "vortex" ou "centrifuge" comportant à l'intérieur d'un carter:.un rotor de projection centrifuge de la matière pulvérulente (ou du second liquide) ayant une surface de centrifugation d'orientation générale radiale tournée vers une paroi du carter (selon le mode de réalisation préféré, vers la paroi supérieure du carter), ladite surface et ladite paroi ainsi que les parois latérales du carter définissant un espace comportant une zone périphérique dans laquelle circule un courant de fluide, éventuellement mélangé, sous pression; un dispositif d'alimentation en fluide qui sera 25 pressurisé dans la région périphérique dudit rotor; un dispositif d'alimentation en matière pulvérulente comportant une réserve

debouchant dans ledit espace.

Selon l'invention, on réalise une alimentation forcée en matière pulvérulente en créant, de manière suprenante, une zone dépressionnaire au sein de ladite zone périphérique de relativement

haute pression.

Pour ce faire, le dispositif d'alimentation en matière pulvérulente comporte un organe, situé au moins partiellement dans la zone périphérique de haute pression, comportant un bord d'attaque formant une protubérance marquée avec la paroi du carter

de manière à perturber localement le courant de fluide et former une dépression au voisinage aval dudit bord d'attaque, ledit voisinage communiquant avec ladite réserve de matière pulvérulente.

Avantageusement, ledit voisinage communique avec ladite réserve au travers d'une vanne réglable. Selon un mode particulier de réalisation, l'organe perturbateur est constitué par un tuyau sensiblement cylindrique

excentré par rapport à l'axe du rotor.

Selon un autre mode de réalisation, l'organe perturbateur 10 est réalisé sous forme de tuyau "annulaire", c'est-à-dire coaxial

au rotor et de préférence évasé vers le bas.

Des moyens d'échappement d'air hors du carter sont prévus et, dans sa réalisation préférée, le mélangeur conforme à l'invention est du type général décrit dans le brevet US-A15 4.453.829,i.e. il comporte également un rotor de centrifugation de

fluide accolé au rotor de projection de matière pulvérulente.

Toutefois, l'invention s'applique à tous les mélangeurs d'un fluide avec des particules solides, comportant un carter dans lequel se trouve un rotor animé d'une grande vitesse, et dans 20 lequel débouchent un conduit d'amenée du fluide, un système d'introduction des particules solides et un conduit de sortie du mélange fluide/particules sous une pression supérieure à la pression atmosphérique. Selon l'invention, le système d'introduction des particules solides débouche dans le mélangeur en 25 faisant saillie par rapport à la paroi du carter dans une zone du

mélangeur o le fluide est mis en mouvement rapide par le rotor.

L'invention s'applique également au mélange de deux liquides et au

mélange de particules solides avec un fluide chargé.

Grâce au système d'alimentation en matière pulvérulente 30 conforme à l'invention, il est possible de régler le processus de mélange à l'aide d'un seul paramètre: le débit de matière pulvérulente par exemple. Pour la première fois, l'automation d'un

mélangeur pour ciment est donc possible.

Le système d'alimentation conforme à l'invention conduit à 35 un mélange de qualité supérieure à celui effectué dans les mélangeurs connus et ceci avec un meilleur rendement pour les

raisons suivantes.

D'une part, ledit système utilise directement les forces et vitesses de courants existant à l'intérieur du mélangeur, pour réaliser l'entraînement de la matière pulvérulente. D'autre part, ladite matière est introduite directement dans une zone de grosse turbulence o le brassage est efficace: ainsi la matière peut se débarrasser de la plus grande part de l'air qu'elle piège. A titre d'exemple, la zone dépressionnaire 10 peut être à -0,6 bar tout en étant créée au sein d'une zone sous pression de 2,5 bar. Cette dépression autorise l'utilisation de divers moyens d'alimentation en matière pulvérulente, dont les

moyens pneumatiques, ou la simple gravité.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention 15 ressortiront de la description suivante. On se référera aux

dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 montre en coupe partielle une première variante d'un mélangeur conforme à 1 'invention avec, schématiquement, le circuit de mélange; - la figure 2 montre en coupe partielle une seconde variante du mélangeur; et - la figure 3 est un schéma expliquant le fonctionnement de

1 'organe perturbateur conforme à l'invention.

- la figure 4 est un schéma de principe des mélangeurs 25 centrifuges auxquels peut s'appliquer l'invention.

La figure 4 fera comprendre le secteur général

d'application de l'invention. Le mélangeur centrifuge est constitué d'un carter A dans lequel le rotor B peut tourner à une grande vitesse, de sorte qu'un fluide amené par un conduit C peut être mis 30 en mouvement rapide dans une ou plusieurs zones F du mélangeur.

L'invention consiste à créer, dans l'une au moins des zones F, une dépression utilisée pour alimenter le mélangeur en particules solides, et ce en faisant déboucher le système D d'introduction de particules solides, dans ladite zone F, le système D faisant une 35 saillie de géométrie appropriée par rapport à la paroi du carter.

L'une des difficultés réside dans la nécessité de ne pas amoindrir

la qualité et la reproductibilité du mélange.

On se reportera maintenant aux figures 1 à 3 montrant plus

en détail des variantes de réalisation de l'invention.

Le mélangeur 1 comporte (fig. 1) à l'intérieur d'un carter 2 un rotor supérieur 3 de projection de matière pulvérulente (en anglais "slinger") et un rotor inférieur (4) (en anglais "impeller") destiné à la mise en pression de fluide par

centrifugation de celui-ci.

Le carter 2, réalisé pour en faciliter la construction en plusieurs pièces assemblées par des moyens d'assemblage 5, comporte selon une variante préférée de réalisation une paroi inférieure 6 et une paroi supérieure 7 sensiblement planes et circulaires, et

une paroi périphérique 8 cylindrique.

Les rotors 3 et 4 sont accouplés et solidaires par des moyens de fixation 9. Ils sont montés en bout d'un arbre rotatif 10 entraîné par un groupe moteur 11 que maintient une potence, non représentée, reliée au châssis de l'ensemble de l'appareil ou au

carter 2 du mélangeur 1.

La configuration du rotor inférieur 4 permet, en rotation, de créer un vortex engendrant une zone de succion 13 au voisinage de l'orifice inférieur 14, situé au centre de la paroi inférieure 6, et o débouche une arrivée d'eau (ou plus généralement de fluide éventuellement chargé ou comportant des additifs) 15. L'eau aspirée 25 au niveau de l'orifice 14 est rejetée sous pression vers la zone périphérique du rotor inférieur 4 et plus généralement dans toute

la région périphérique 16 du mélangeur 1.

Le rotor supérieur 3 possède une surface supérieure 17 de centrifugation, d'orientation générale radiale transversale (i.e. 30 perpendiculaire à l'axe de rotation 12). Cette surface 17 est

torique, concave et tournée vers la paroi supérieure 7 du carter 2.

Des pales verticales (non représentées) telles que décrites dans le brevet US-A-4 453 829 peuvent compléter avantageusement le rotor de projection 3. La surface de centrifugation est destinée à recevoir 35 la matière pulvérulente introduite par le dispositif d'alimentation. La rotation du rotor projette ladite matière, par centrifugation, vers la zone périphérique du rotor supérieur 3, et plus généralement dans la région périphérique 16 du mélangeur 1. Le mélange sous pression de fluide et de poudre est évacué par la sortie 18, située dans la région périphérique du mélangeur 1. Le mélangeur 1 est intégré à un circuit de mélange comportant: un réservoir d'eau de mélange 19 débouchant par l'arrivée 15 à la partie inférieure du mélangeur 1; une trémie d'alimentation 20 en matière pulvérulente reliée par des moyens qui 10 seront décrits ultérieurement au mélangeur 1; une pompe haute pression 21 vers laquelle est dirigé le mélange évacué par la sortie 18 et refoulant ce mélange (le laitier de ciment par exemple) vers le lieu d'utilisation (puits pétrolier à cimenter par

exemple).

25 30 35

L'agencement général ci-dessus est connu et décrit dans le brevet US-A-4 453 829, dont on incorpore ici l'enseignement par référence.

L 'invention repose sur la prise en compte des phénomènes de pression et de circulation de fluide à l'intérieur de l'espace 23 défini entre la paroi supérieure 7 et la surface de centrifugation 17. L'espace utile à considérer est celui compris entre le bord supérieur de ladite surface 17 (coïncidant avec le bord supérieur des pales verticales) et la paroi plane 7. Cet espace a une hauteur qui est généralement de l'ordre de la hauteur du rotor supérieur lui-même, comne l'enseigne le brevet US-A-4 453 829. De manière plus générale, on a montré que*la hauteur de l'espace 23 pouvait représenter de 1/2 à 2 fois environ la hauteur du rotor 3.

Cet espace 23 comporte une zone centrale, ou "oeil", soumise à la pression atmosphérique, entourée d'une zone périphérique de relativement haute pression.

L'étendue et la répartition de ces zones est fonction de la géométrie du mélangeur (notamment de la forme du rotor supérieur 3 et de la hauteur de l'espace 23) et du régime de rotation. Le plus généralement, toutefois, lorsque le mélangeur est en régime normal, l'oeil est très limité à la zone la plus centrale de l'espace 23, et la zone périphérique de haute pression commence assez près du centre. Bien entendu, une étude préalable par sonde de pression permet de réaliser une "carte des pressions" de l'espace 23 pour un

appareil donné.

A l'intérieur de cet espace 23, l'étude des courants de matières est particulièrement ardue. Il semble toutefois qu'on puisse discerner, très schématiquement et sans être lié par une quelconque théorie, les phénomènes suivants. Tout d'abord, la phase liquide et la phase solide sont toutes deux animées d'une vitesse 10 ayant une forte composante tangentielle déterminée par le sens de rotation du rotor. Si l'on examine les composantes de vitesse dans un plan radial (celui de la figure 1 par exemple), on constate la présence d'un courant radial oentrifuge (flèche 24) au voisinage immédiat du rotor supérieur 3 et directement créé par la rotation 15 de celui-ci et un courant radial centripète (flèches 25) au voisinage de la paroi supérieure 7 du carter, engendré par réaction

au courant centrifuge 24.

Vers le centre de la zone haute pression, le mouvement a

une composante de vitesse verticale descendante (flèche 26) 20 destinée à relier les courants 25 et 24.

Selon l'invention, le dispositif d'introduction de la matière pulvérulente comporte un organe, situé au moins partiellement dans la zone périphérique de haute pression et comportant un bord d'attaque formant une protubérance marquée avec 25 la paroi supérieure 7 du carter de manière à perturber localement le courant de sorte que la vitesse du courant est accrue au voisinage amont du bord d'attaque et qu'une zone de dépression est formée au voisinage aval du bord d'attaque, cette zone de dépression communiquant avec le dispositif d'alimentation en 30 matière pulvérulente. On a montré que, malgré les vitesses très élevées atteintes et la sensibilité des phénomènes de mélange à ces vitesses, cette perturbation ne se propageait pas à tout le volume

du mélangeur, ce qui eût empêché tout mélange efficace.

Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 1, 35 ledit organe est constitué par un tube sensiblement cylindrique 27 1 implanté sur la paroi 7. Le tube 27 peut, commne représenté sur la figure 3, être orienté obliquement dans le sens du courant (i.e. à la fois radialement vers l'intérieur et tangentiellement), mais il peut également être implanté tout simplement sensiblement 5 perpendiculairement à la paroi 7 (fig. 1). Ce tube 27 est fixé par une bride ou par soudure à la paroi 7 et communique avec la base de la trémie 20. Une vanne 30 (vanne papillon ou à tiroir par exemple)

régle le débit délivré par la trémie 20.

Le fonctionnement du tube 27 est le suivant (fig. 3).

Le dispositif 27 engendre une perturbation locale de

l'écoulement, et au delà d'une certaine distance autour du dispositif 27, l'écoulement n'est sensiblement pas affecté par le dispositif 27, ce qui, compte tenu des vitesses élevées de rotation et de la présence de fluides chargés en rotation rapide, est tout à 15 fait surprenant.

A l'intérieur du volume fini perturbé, la perturbation peut s'analyser à peu près commne suit. Le courant entre dans ledit volume selon les lignes de courant parallèles de la zone 31. En raison de la protubérance formée par le dispositif 27 et son bord 20 d'attaque 37, les lignes de courant se resserrent progressivement

dans les zones 32 et 33: le même débit devant passer dans un volume plus faible, la vitesse du courant croît donc jusqu'à atteindre un maximum dans la zone 33 voisine du bord d'attaque.

Ensuite, le courant éclate en créant une turbulence dépressionnaire 25 34 juste en aval du bord d'attaque 37. Puis le courant se stabilise jusqu'à sortir du volume perturbé. Cette zone dépressionnaire 34, communiquant via le tube 27 avec la trémie 20, ou du moins avec la partie située en aval de la vanne 30, aspire la poudre, laquelle se trouve ensuite entraînée dans un courant de fluide et de matière, 30 directement dans la zone de turbulence 34. Il s'ensuit un meilleur brassage d'une part, et une séparation plus efficace de la poudre et de l'air. Celui-ci peut s'échapper du mélangeur par la zone centrale de l'espace 23, i.e. par l'oeil de basse pression de cet espace, o un passage est ménagé à cet effet entre l'arbre 10 et la 35 paroi supérieure du carter 2. Les flèches 35 représentent

l'échappement d'air hors du carter.

L'étude des phénomènes précisée ci-dessus, et en particulier des phénomènes d'écoulement, permettra à l'homme du métier de concevoir facilement d'autres géométries équivalentes, 5 notamment pour l'organe 27. Notamment, l'organe 27 peut pénétrer légèrement dans le volume défini par la surface 17. Il suffit pour cela de limiter la hauteur des pales verticales du rotor 3 (non

représentées ici).

L'air qui n'a pas pu se séparer de la poudre lors du 10 brassage au moment de l'introduction de ladite poudre va se séparer lors du brassage ultérieur dans la région périphérique 16 du mélangeur. Son échappement est possible gràce à des communications entre ladite région périphérique 16 et l'oeil de l'espace 23, au travers du rotor supérieur 3. Ces communications peuvent être 15 réalisées par un espace 36 entre les surfaces arrière en regard des rotors 3 et 4, et des canaux 38 traversant le rotor supérieur 3 vers son centre. L'air s'échappe alors selon le trajet symbolisé

par les flèches 37 et 35.

La vanne 30 peut être de tout type. Il est avantageux 20 qu'elle soit réalisée sous forme d'une plaque annulaire 39

encastrée dans la paroi supérieure 7, et dans la continuité de celle-ci, de sorte qu'elle participe à la définition de la paroi supérieure. Cette plaque comporte une lumière 40 en segment annulaire, qui peut être obturée par un tiroir 41 en segment 25 annulaire plus grand coulissant dans une glissière annulaire 42.

Il est possible de prévoir entre la sortie 18 et la pompe

21 une conduite de recirculation 44 permettant de renvoyer le mélange vers le mélangeur en tout début de processus, lorsqu'il n'a pas encore atteint la densité désirée, ou bien de faire une mesure 30 de densité en circuit fermé grâce au densitomètre 43.

Le bilan matière du mélangeur s'écrit tout simplement:

débit eau entrant + débit ciment entrant = débit mélange sortant.

Or, lors d'une opération de cimentation d'un puits pétrolier ou analogue, le débit de ciment envoyé par la pompe 21 35 vers le puits en aval est constant et déterminé par le régime de la

15 20 25 30 35

pompe. Le débit de mélange évacué en 18 est donc, ou peut donc, Atre facilement maintenu constant.

Par conséquent, il résulte du bilan matière que le debit d'eau entrant (15) est directement fonction du débit de poudre

(27), lequel est facilement commandé par la vanne 30.

Il convient de noter qu'il est effectivement possible de commander le débit de ciment plutôt que celui de l'eau, parce que l'introduction de ciment est forcée, grâce à l'aspiration créée et à la gravité, tandis que celle de l'eau ne l'est pas, et donc que le ciment a priorité sur l'eau.

Ceci permet de simplifier considérablement les manoeuvres nécessaires sur le terrain pour régler avec précision la densité d'un laitier de ciment. Selon l'invention, il suffit de manoeuvrer la vanne 30 et l'alimentation en eau sera automatiquement régulée. L'ingénieur de champ pourra donc conserver facilement durant toute la cimentation une valeur de densité du laitier très proche de la valeur idéale, ce qui améliorera d'autant les chances de succès de

1 'opération.

La trémie 20 peut être à écoulement gravitaire ou pneumatique.

La figure 2 montre une variante 1' du mode de réalisation du mélangeur de la figure 1. Les organes identiques portent les mêmes références.

Selon cette variante, le dispositif d'alimentation comporte un organe annulaire 50 entourant l'arbre et composé: d'une partie supérieure tronconique 51 évasée vers le haut, destinée à recevoir la poudre distribuée par la trémie 20 et la vanne 52; d'une partie intermédiaire cylindrique 53 traversant le carter 2; et d'une partie inférieure tronconique 54 s'évasant vers le bas.

Un espace annulaire 55 est réservé entre la partie intermédiaire 53 et la paroi supérieure du carter 2, laquelle peut comporter, pour faciliter la mise en place de l'organe annulaire 50, une plaque annulaire de fermeture 56.

Le bord inférieur de la partie inférieure évasée 54 vient pratiquement jusqu'en bas de l'espace 23 (conmme le bord inférieur de l'élément 27 sur la figure 1), et est implanté radialement à une distance suffisante de l'arbre 10 pour se trouver dans la zone

périphérique de haute pression de l'espace 23, et non dans l'oeil.

Les courants radiaux centripètes 25 et verticaux 5 descendants 26 se heurtent à l'organe 50 et créent juste en aval du bord de sa partie inférieure 54 une zone dépressionnaire permettant à la poudre dont le débit est régulé par la vanne 52 de s'introduire immédiatement dans une zone d'intense brassage du

mélangeur. D'autres géométries équivalentes seront évidentes.

L'air libéré au moment de ce brassage peut s'échapper du

mélangeur grâce au passage annulaire 55.

La vanne 52 peut être du type de celle décrite selon la

figure 1.

On peut également prévoir une plaque horizontale solidaire 15 du rotor 4, juste au-dessous de l'espace 36 d'échappement d'air.

Cette plaque permet de diviser la zone périphérique haute pression en une zone plus riche en fluide (sous la plaque) et une zone moins

riche en fluide (au-dessus de la plaque).

: 5

15 20 25 30 35

REVEDICTICKS

1. Mélangeur d'un fluide avec des particules solides, comportant un carter (A) dans lequel se trouve un rotor (B) animé d'une grande vitesse, et dans lequel débouchent: un conduit (C) d'amenée du fluide, un sytème (D) d'introduction des particules solides et un conduit (E) de sortie du mélange fluide/particules sous une pression supérieure à la pression atmosphérique, caractérisé en ce que le système (D) d'introduction des particules solides debouche dans le mélangeur en faisant saillie par rapport à la paroi du carter (A) dans une zone du mélangeur co le fluide est mis en mouvement rapide par le rotor (B).

2. Mélangeur selon la revendication 1, du type comportant à l'intérieur d'un carter (2) un rotor (3) de projection centrifuge des particules solides ayant une surface (17) de centrifugation d'orientation générale radiale tournée vers une paroi (7) du carter (2), ladite surface et ladite paroi définissant un espace (23) comportant une zone périphérique dans laquelle circule un courant de fluide, éventuellement mélangé, sous pression, un dispositif d'alimentation (15) en fluide mis sous pression dans la région périphérique (16) dudit rotor; un dispositif d'alimentation en particules solides comportant une réserve (20) debouchant dans ledit espace (23); caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation comporte un organe (27, 50), situé au moins partiellement dans la zone périphérique dudit espace (23), comportant un bord d'attaque formant une protubérance marquée avec ladite paroi (7) de manière à perturber localement le courant de fluide (25, 26) et former une dépression au voisinage (34) aval dudit bord d'attaque, ledit voisinage (34) communiquant avec ladite réserve.

3. Mélangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit voisinage (34) communique avec ladite réserve (20) au travers d'une vanne réglable (30, 52).

4. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit organe est constitué par un tuyau sensiblement cylindrique excentré (27) par rapport à l'axe du

rotor.

5. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 2 ou

3, caractérisé en ce que ledit organe est constitué par un tuyau

annulaire (50) coaxial au rotor.

6. Mélangeur selon la revendication 5, caractérisé en ce

que le tuyau annulaire (50) a une partie inférieure évasée (54).

7. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à

6, caractérisé en ce qu'il comporte des passages d'échappement

d'air (35, 55) hors du carter (2).

8. Mélangeur selon l'une quelconque des revendications 2 à

6, caractérisé en ce qu'il comporte un rotor (4) de centrifugation de fluide accolé au rotor (3) de projection centrifuge des

particules solides.