FR2722252A1 - Methode et dispositif de pompage a jets sequentiels - Google Patents
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Abstract
Méthode de pompage par échange direct d'énergie au cours de laquelle un fluide moteur est envoyé vers un fluide primaire sous forme de jets, par intermittence.Dispositif de pompage comportant une pièce de distribution comprenant au moins une ouverture Et, laissant passer le fluide (7) moteur, une pièce mobile en rotation portant au moins un moyen d'obturation (7) des ouvertures Ei, pour qu'au moins une partie du fluide moteur soit éjectée sous forme d'au moins un jet de manière intermittente vers le fluide primaire lors de la rotation de la pièce mobile(6)
Description
La présente invention concerne une méthode et un dispositif permettant
d'augmenter la performance du pompage et de la poussée, de dispositifs dans lesquels un fluide moteur est induit dans un fluide primaire à transporter et
transfert à ce dernier une certaine quantité d'énergie.
La méthode selon l'invention trouve avantageusement son application dans le cadre de la production pétrolière pour le transfert d'effluent pétrolier, tels des bruts lourds, gazés et chargés en particules solides telles que du sable ou des hydrates. Elle est de plus bien adaptée aux fluides ou produits visqueux, gazés et contenant des particules abrasives ou de nature agressives, tels que H2S,
CO2 et les saumures rencontrés dans la majorité des effluents de type pétrolier.
De manière avantageuse, les dispositifs selon la présente invention sont particulièrement bien adaptés à l'exploitation de puits sous-marins et, se révèle plus aisée que la technique de pompage par électropompe de fond actuellement utilisée. Le transfert direct d'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire à
transporter est décrit dans l'art antérieur.
Ainsi, les brevets US 3,046,732, US 4,485,518 et US 4,865,518 décrivent des dispositifs et des méthodes dans lesquels il y a transfert de quantité de
mouvement et d'énergie d'un premier fluide à un second fluide.
L'enseignement contenu dans le document US 4,485,518 a principalement pour but de minimiser les effets de cisaillement créés dans le fluide primaire à pomper et pouvant apparaître au niveau des interfaces entre le fluide et des pièces mécaniques du dispositif. Pour cela l'invention consiste à séparer le fluide moteur en deux parties, à éjecter une première partie de ce fluide à travers des orifices situés sur un rotor vers un fluide primaire, et à utiliser le jet de fluide résultant de la seconde partie du fluide moteur passant par un orifice central pour entraîner la première partie du fluide moteur et le fluide primaire. On minimise ainsi les cisaillements susceptibles d'apparaître entre un fluide et une pièce mécanique. Les jets de fluide moteur sont émis de façon continue à travers
les orifices d'éjection.
Dans le brevet US 4,865,518, il est connu d'éjecter un fluide moteur sous forme de jets à travers des orifices et des rainures situées sur la paroi externe d'une pièce rotative, cette pièce étant positionnée à l'intérieur d'une conduite dans laquelle circule un fluide primaire à pomper. Les jets de fluide moteur issus lors de la rotation de cette pièce transfèrent de manière tangentielle leur énergie au fluide primaire, cette tangentialité risquant notamment d'engendrer un déséquilibre dans le transfert d'énergie. Il est aussi connu d'utiliser des dispositifs utilisant l'énergie apportée par
des jets pour la propulsion dans le domaine naval ou aérospatial.
L'utilisation de l'énergie de jets est aussi utilisée dans les pompes à jet classique décrites, par exemple dans le brevet FR-2.617.245 du demandeur. De tels dispositifs émettent un jet axial continu à vitesse élevée qui par cisaillement en périphérie entraîne la fluide à transporter, et conduit à une efficacité moindre de l'utilisation d'énergie. En outre, de telles pompes peuvent présenter des problèmes tels que les dépressions d'aspiration provoquant des dégazages importants, des phénomènes de cavitation, ainsi que des usures au niveau des duses du fait des vitesses élevées des fluides et de la présence éventuelle de particules solides dans les fluides avec lesquelles elles se trouvent mises en contact. Ces inconvénients abaissent le rendement de ces dispositifs. De plus, le réglage de telles pompes pour fonctionner de manière optimale nécessite de
connaître la valeur de paramètres souvent difficiles à mesurer et variables.
Les dispositifs existants ne permettent donc pas, à la fois, de générer un jet axial intermittent de fréquence et de longueur variable ou une lame de fluide tournante axiale ou annulaire, ces jets ayant un effet identique à l'effet obtenu par des pistons de type mécanique habituellement utilisés tout en évitant les inconvénients engendrés par ces derniers, notamment les problèmes lors de la
rotation de pièces mécaniques entre elles et leur usure.
La présente invention selon l'invention a pour objet d'améliorer l'efficacité
du pompage utilisant le transfert d'énergie d'un fluide moteur à un autre fluide.
Elle permet de plus d'augmenter la durée de vie de pièces mécaniques mises en rotation les unes par rapport aux autres, notamment en soustrayant ces pièces
au contact des fluides contenant des hétérogénéités telles que des particules.
Ainsi la présente invention a pour objet une méthode et une machine simple, robuste et fiable, bien adaptée notamment pour le transfert de fluide tel qu'un fluide visqueux difficile à entraîner ou qui du fait de sa nature nécessite des efforts et des énergies pour la mise en rotation des différentes pièces entre
elles importants.
La présente invention concerne une méthode permettant de communiquer directement de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire à pomper. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une étape au cours de laquelle on envoie ledit fluide moteur sous forme d'au moins un jet vers ledit fluide primaire, l'envoi de ce jet se faisant par intermittence, de façon que ledit fluide
moteur transfère au moins une partie de son énergie audit fluide primaire.
On peut envoyer le fluide moteur par séquences de façon à générer des pistons fluides intermittents de longueur définie à des intervalles de temps donnés. On envoie, par exemple, les pistons fluides à des intervalles de temps identiques.
Les pistons fluides générés peuvent avoir des longueurs identiques.
Pour un fluide primaire en écoulement dans une conduite, on peut envoyer le fluide moteur de façon à générer plusieurs pistons fluides répartis dans l'espace de façon à générer une poussée fluide ayant sensiblement la forme
d'une spirale.
La présente invention concerne aussi un dispositif de pompage par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide primaire. Il comporte, par exemple en combinaison, une pièce creuse statique laissant le passage dudit fluide moteur, ladite pièce creuse statique comportant à au moins une de ses extrémités au moins un orifice Oi, une pièce de distribution comprenant au moins un orifice Ei, ladite pièce de distribution étant située par rapport à la pièce creuse statique pour laisser passer le fluide moteur d'un orifice Oi vers un orifice Ei, les pièces de distribution et la pièce statique étant solidaire grâce à une pièce de liaison et d'étanchéité, une pièce mobile disposée dans l'espace formé par la pièce creuse statique, la pièce de distribution, et la pièce de liaison, ladite pièce mobile portant au moins un moyen permettant d'obturer les orifices Ei, de manière telle qu'au moins une partie dudit fluide moteur soit éjecté de manière
intermittente vers le fluide primaire lors de la rotation de la pièce mobile.
La pièce mobile peut être une turbine mise en rotation par le fluide moteur.
Le nombre des orifices Oi situés sur la pièce creuse statique peut être égal
au nombre des orifices Ei situées sur la pièce de distribution.
Il comporte, par exemple, une pièce située dans le prolongement de la pièce de distribution et alignée avec cette dernière à l'aide de moyens, la pièce
comportant au moins une ouverture créant un espace de mélange.
La pièce mobile est, par exemple, une turbine à action ou une turbine à
réaction mise en rotation par le fluide moteur.
Les orifices de la pièce de distribution sont, par exemple, constitués par une fente unique circulaire et les moyens d'obturation de la fente peuvent être constitués d'un patin adapté à laisser le passage des jets de fluide moteur sur
une largeur déterminée.
La pièce de distribution est, par exemple, prolongée par une pièce dont la
forme est adaptée pour créer un ou plusieurs espaces de mélange.
On peut utiliser la méthode et le dispositif pour communiquer de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire tel un fluide polyphasique de viscosité élevée, ou à un fluide polyphasique comportant des particules solides, ou
encore à un effluent pétrolier.
Minimiser le nombre de pièces mécaniques habituellement utilisées dans les dispositifs classique de pompage, notamment en remplaçant les pales mécaniques des pompes volumétriques ou rotodynamiques par des pales fluidiques conduit à augmenter la fiabilité du dispositif et à réduire les problèmes
provenant des pièces mécaniques.
Le système de séquencement du dispositif offre notamment comme avantage qu'aucune pièce mobile n'est en contact avec les effluents pompés plus ou moins agressifs. Une seule pièce mobile se situe dans un milieu réputé propre ce qui confère au dispositif une durée de vie supérieure à la durée de vie
des dispositifs habituellement utilisés par l'art antérieur.
L'énergie nécessaire à la fonction d'obturation séquentielle des orifices
laissant passer le fluide moteur est faible.
En utilisant un palier fluide entre les pièces en rotation les unes par rapport aux autres, il est aussi possible de diminuer l'usure se produisant au niveau de
l'axe de rotation de la pièce mobile.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de quelques exemples, non limitatifs, illustrés par les figures suivantes parmi lesquelles: - les figures 1A, lB, 1C et 1D schématisent un dispositif selon l'invention délivrant des jets de fluide moteur ou pistons liquides intermittents et un exemple de séquence d'envois de ces jets, - les figures 2, 2B, 2C, 2D et 2E schématisent une autre variante du dispositif et des cycles d'éjection des jets associés, et - les figures 3 et 4 montrent des variantes de dispositif pour lesquelles le
frottement direct est minimisé par utilisation d'un pivot axial.
L'exemple de réalisation du dispositif décrit en relation avec les figures 1A à 4 concerne un dispositif de pompage d'un fluide, par exemple de type polyphasique comportant des particules solides, auquel on transfère directement une partie de l'énergie que possède un fluide moteur à uri fluide primaire à
pomper ou à transférer sur une distance donnée.
On génère les jets de manière intermittente dans l'espace ou dans le temps
ou sous forme de lames fluides tournantes axiales ou annulaires.
Le dispositif de pompage de la figure 1 est inséré, par exemple dans une conduite 1 dans laquelle circule le fluide primaire, provenant, par exemple, d'un
puits pétrolier non représenté sur la figure.
Il comporte une pièce creuse statique 2 qui communique avec une source de fluide moteur sous pression, tel qu'un liquide mis sous pression. Une des extrémités de la pièce 2 est, par exemple, en forme de T comprenant successivement une partie 3a, une extrémité 3b et une autre partie 3c. Les parties 3a et 3c comportent, par exemple, des orifices Oi qui laissent passer le liquide moteur de l'intérieur de la pièce creuse statique 2 vers une pièce de distribution 4 comportant des ouvertures ou orifices Ei. La pièce de distribution 4 est située sensiblement dans l'axe de la pièce creuse statique 2 et maintenue par une pièce de liaison 5, cette dernière assure de plus l'étanchéité entre les différentes pièces pour que le fluide primaire pouvant comporter des impuretés s'écoule uniquement ou pratiquement en totalité dans la conduite 1. De cette manière on empêche le passage du fluide primaire dans l'espace formé par la pièce creuse statique, la pièce de distribution et la pièce de liaison, et on évite le
contact des impuretés avec les pièces mobiles du dispositif décrites ciaprès.
Une pièce mobile 6, telle qu'une turbine à action est positionnée entre la pièce creuse statique 2 et la pièce de distribution 4; elle se trouve de cette façon uniquement en contact avec le liquide moteur du fait de l'étanchéité assurée par la pièce de liaison 5 et donc avec un liquide exempt ou comportant une proportion infime d'impuretés. La turbine est par exemple, mobile en rotation autour de la partie 3b de la pièce 2 par l'intermédiaire de paliers 8 et, peut être munie de pales P servant de support à au moins un moyen d'obturation des orifices Ei, par exemple un patin 7. Lors du mouvement de rotation de la turbine sous l'action du fluide moteur, le patin 7 obture de manière séquentielle les orifices Ei, ce qui génère des jets de fluide moteur tels des pistons fluides ou liquides, qui rencontrent le fluide primaire à pomper et le propulsent en lui communiquant au moins une partie de l'énergie qu'ils possèdent. La rencontre
du fluide primaire et de pistons liquides se fait, par exemple, après les orifices Ei.
Le mélange formé des pistons liquides et du fluide primaire est ensuite transféré vers une station de traitement par l'intermédiaire d'une conduite de
transfert, ou vers une conduite de prolongation.
Les vitesses du fluide primaire et des pistons liquides sont telles que la probabilité d'un retour éventuel du fluide primaire à travers les orifices Ei vers l'espace dans lequel se trouve la pièce mobile est minimisée. De cette façon, la rencontre d'impuretés avec la turbine en rotation est pratiquement exclue. La vitesse d'un piston liquide est, par exemple, très supérieure à celle du fluide
primaire, elle est, par exemple, de l'ordre de 100m/s.
Afin de favoriser le mélange piston liquide, fluide primaire, les orifices Oi
sont de manière avantageuse, inclinés.
La mise en rotation de la turbine portant le patin peut aussi être commandée par un dispositif non représenté qui permet de faire varier la vitesse
de rotation.
La vitesse de rotation est choisie, par exemple, en fonction de la fréquence d'envoi des pistons fluides ou pistons liquides formés par le passage des jets de
liquide moteur à travers les orifices Ei que l'on souhaite.
La géométrie des orifices Ei, c'est-à-dire leur forme et leur dimension fixe, par exemple, le rapport de la longueur active du piston liquide injecté par rapport
à la longueur total ou durée totale du cycle de production des pistons.
Afin d'améliorer le transfert d'énergie entre un piston liquide provenant rd'un orifice Ei et le fluide primaire, il est possible de placer dans le prolongement de la pièce de distribution 4, une pièce 9 conçue pour délimiter au moins un canal 12i (figure 1A et lB) dans lequel le mélange du fluide primaire et du piston liquide s'effectue quasiment en totalité. Un canal 12i comporte, par exemple, une première partie et une seconde partie ayant respectivement une première longueur Zl et une seconde longueur Z2. La première partie ou mélangeur a une section sensiblement constante sur la majorité de sa longueur Z1 et la seconde partie ou diffuseur a une section allant en s'évasant au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la pièce de distribution, sur au moins une majorité de sa longueur Z2. La pièce 9 est, par exemple, positionnée par rapport à la pièce de distribution 4 à l'aide d'un doigt d'alignement connu de l'homme de métier. La présence des canaux 12i ont notamment pour fonction de guider la rencontre d'un piston liquide avec au moins une partie du fluide primaire, et de favoriser leur rencontre et leur mélange. L'énergie de vitesse acquise dans le canal mélangeur 12i se transforme en énergie de pression dans le diffuseur. La pièce 9 comporte aussi des orifices Ai dont le nombre est, par exemple, égal à celui des orifices Ei, qui permettent de transférer les jets provenant des canaux 12i à
une conduite de transfert.
La partie centrale de la pièce 9 peut se prolonger par une partie 9b tel qu'un nez pénétrant dans la conduite de transfert située, par exemple, dans le prolongement du canal 1 de manière à ce que le passage du mélange des fluides circulant dans les canaux 1 2i vers la conduite de transfert s'effectue en
évitant de perturber les écoulements.
La forme d'un canal 12i résulte par exemple d'une pièce 9 ayant, par exemple, une paroi interne comprenant une partie 10, constituée d'une première zone incurvée 10a suivie d'une seconde zone 10b ayant, par exemple une longueur Z1 prolongée par une troisième zone 10c sensiblement inclinée par rapport à l'axe de la conduite ayant, par exemple, une longueur Z2, une partie centrale 11, par exemple cylindrique ou légèrement conique, comprenant des zones incurvées 1 la situées en vis-à-vis des zones incurvées 10Oa formant ainsi un espace de rencontre entre un piston liquide et un fiuide primaire, l'espace étant situé après les orifices Ei. La première zone 11a de la partie 11 se prolonge, par exemple, par une seconde zone 11b de longueur sensiblement identique à la longueur Z1 et une troisième zone 11c prolongeant la seconde
zone 11 b et ayant une longueur sensiblement égale à la longueur Z2.
L'angle d'ouverture obtenu en sortie d'un canal de mélange 12i tel que
défini ci-dessus est, par exemple, égal à 7 .
Une autre possibilité de réalisation selon l'invention consiste à créer un canal unique de mélange, tel un espace annulaire de mélange. La pièce centrale 9 comporte, dans ce cas, une fente circulaire et elle est rendue solidaire de la pièce de distribution 4, à l'aide de moyens tels que des bras dont la dimension résulte d'un compromis permettant de minimiser les chocs du mélange sur ces bras et la tenue aux pressions élevées du mélange formé par le fluide moteur et le fluide polyphasique entraîne. Différentes séquences de génération de pistons fluides peuvent être envisagées. Afin de mieux comprendre la méthode selon l'invention les figures 1C et 1D, à titre illustratif et non limitatif, décrivent un exemple de cycle et la
géométrie des orifices Ei de la pièce de distribution associée.
La pièce de distribution comporte deux orifices E1 et E2 (Fig. 1D), positionnés, par exemple, à 180 I'un de l'autre, et ayant une géométrie sensiblement identique. Les pistons fluides créés par l'obturation séquentielle
des orifices Ei ont de fait des longueurs sensiblement identiques.
La figure 1C montre sur deux axes temporels les trains de pistons fluides
P1 et P2 passant respectivement à travers les orifices E1 et E2.
La turbine étant en rotation le patin vient obturer, par exemple, l'orifice E2 laissant passer le fluide moteur à travers l'orifice El, créant ainsi un premier piston fluide P1, puis le mouvement de rotation continuant il obture l'orifice El, créant ainsi le second piston fluide, la majorité du fluide moteur ne pouvant passer que par l'orifice E2. Cette séquence de production des pistons fluides P1
et P2 se répète au cours de la rotation de la turbine.
Le temps dt s'écoulant entre deux pistons fluides successifs dans le temps, dépend, notamment de la vitesse de rotation de la turbine. Ainsi lorsque la vitesse de rotation est uniforme, le temps dt séparant l'émission de deux pistons
liquides est seRsiblement constant.
Si l'on choisit une vitesse de rotation variable au cours du temps, c'est-à-
dire pouvant s'accélérer ou se décélérer, alors les intervalles de temps dt
séparant deux pistons peuvent être complètement différents.
Il est possible aussi de faire varier la longueur I des pistons fluides, cette dernière étant notamment fonction de la géométrie et de la taille des orifices Ei
situés sur la glace de distribution.
Le débit du fluide moteur est, de préférence, distribué vers les orifices Ei, de manière à minimiser les à coups. Un tel résultat est, par exemple atteint, en choisissant un nombre d'orifices Ei constant et de section identique. La rotation du patin conserve les sections de passage des orifices Ei apparemment constantes. Le patin peut être de longueur unitaire, par exemple, ou formé par plusieurs
segments, ce dernier mode de réalisation permettant un équilibrage dynamique.
Il est possible de déterminer pour chaque pièce de distribution, les courbes caractéristiques de type classique telles que le gain de pression relatif M défini par p = Pref - Pasp Pmot- Pref en fonction du taux d'entraînement déterminé par le rapport N du débit aspiré Qasp au débit moteur Qmot, le rendement énergétique p pour des
liquides (moteur et aspiré) étant alors égal à M*N.
Les pressions de refoulement Pref, d'aspiration Pasp, la pression du fluide moteur Pmot, le débit moteur Qmot et le débit aspiré Qasp sont, par exemple,
mesurés par des dispositifs appropriés connus des spécialistes.
Selon un mode avantageux de réalisation du dispositif (Fig.2) on utilise
comme pièce mobile une turbine à réaction.
La pièce creuse statique 2 du dispositif se prolonge à une des extrémités par une partie 13a comportant au moins un orifice Oi, le diamètre de la pièce 13a étant inférieur à celui de la pièce 2. La partie 13a sert, par exemple, d'axe de rotation à une turbine à réaction 14, mobile par l'intermédiaire de paliers 15, tels que des paliers fluide qui minimisent les frottements et l'usure des deux pièces
13a et 14.
La turbine à réaction 14 comporte, par exemple, à une de ses extrémités un patin 7 qui vient obturer de manière identique à celle décrite en relation avec la figure 1 les orifices Ei d'une pièce de distribution 17, située de manière sensiblement coaxiale à la pièce creuse statique 2, et maintenue par rapport à cette dernière grâce à une pièce de liaison 5 qui assure de plus rétanchéité entre les pièces 2, 17 afin d'éviter la mise en contact du fluide primaire pouvant
comporter des impuretés avec la turbine 14.
Le dispositif est positionné dans la conduite 1 pour que la partie comportant la pièce de distribution 17 pénètre au moins en partie dans une pièce 19 dont la paroi interne 19' est adaptée pour créer un passage Pr de section inférieure à la section de la conduite 1. Cette diminution de section crée un effet d'aspiration qui favorise le mélange et le transfert d'énergie des pistons liquides au fluide primaire avant son transfert dans un divergent 33 formé par une pièce 34 située après la pièce 19. Le rôle du divergent est, notamment de permettre la transformation de l'énergie de vitesse étant ensuite transformée en énergie de pression. La génération des pistons liquides s'effectue selon un principe sensiblement identique à celui décrit en relation avec la figure 1. Le liquide moteur passe de l'intérieur de la pièce creuse statique 2 à travers les orifices Oi dans une chambre annulaire 32, puis ressort par les orifices 30 à travers des canaux 31. Le liquide moteur possède une puissance suffisante pour que son passage à travers les orifices 31 génère un couple moteur qui assure,
notamment, la rotation de la turbine à réaction 14.
Sur la figure 2B, on a décrit une séquence possible de génération de
pistons liquides provenant des orifices Ei.
La pièce de distribution (Fig.2C) comporte par exemple 8 orifices El,..
Ei,..E8 répartis, par exemple, de manière uniforme les uns par rapport aux autres, c'est-à-dire avec une distance les séparant sensiblement égale. Les pistons liquides P1,...Pi,...P8 générés lors du passage du fluide moteur à travers ces orifices Ei sont envoyés, par exemple, par intermittence sous forme séquentielle dans le temps, les uns après les autres. La distribution des pistons liquides résulte, notamment, de la fréquence d'envoi des pistons fluides et de la répartition des orifices sur la pièce de distribution. Ainsi, les pistons liquides se répartissent dans l'ensemble de la conduite de façon à toucher le fluide primaire pratiquement en totalité et à lui transférer une valeur d'énergie suffisante pour
permettre son transfert d'un endroit à un autre.
Comme il a été indiqué précédemment, l'intervalle de temps séparant les
pistons liquides est fonction, notamment de la vitesse de rotation de la turbine.
La longueur d'un piston liquide est défini, par exemple par la géométrie et la taille des orifices Ei de la pièce de distribution, de manière identique aux
figures l A à 1C.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, on génère les pistons liquide de la manière décrite ci-après. Le terme intermittent se rapporte plus précisément dans ce cas à la manière dont les pistons liquides entrent en contact avec un endroit donné du fluide primaire. Ainsi il est possible de générer un premier piston liquide c'est-à-dire qu'il transmet de l'énergie à une partie du fluide primaire situé par rapport à un endroit donné de la conduite, puis à une deuxième partie de fluide située, par exemple, à proximité de la première partie du fluide précédemment mise en contact avec le premier piston liquide, et ainsi de suite jusqu'à ce que la majorité du fluide circulant dans la conduite soit mise Il en contact avec une succession de pistons liquides permettant son transfert. Une
partie du fluide est ainsi mise en contact par intermittence avec un piston liquide.
On génère, de préférence, les pistons liquides de façon suffisamment voisine dans l'espace pour que la majorité du fluide primaire gagne au moins une partie de l'énergie provenant du fluide moteur et pour que la succession de ces pistons forment un piston fluide ayant une forme sensiblement hélicoïdale (Fig.2E), qui
progresse au fur et à mesure dans la conduite en entraînant le fluide primaire.
Pour cela, la pièce de distribution comporte une fente circulaire qui est obturée par exemple par un moyen telle qu'une pièce 20 comportant, un orifice F, la surface de cette pièce et ses dimensions étant choisies pour que lorsqu'elle est mise en coïncidence avec la pièce de distribution et notamment la fente circulaire, elle laisse passer le fluide moteur uniquement à travers cet orifice. Du fait de la rotation des deux pièces l'une par rapport à l'autre, le passage du fluide moteur à travers l'orifice 19 s'effectue, par exemple, sous forme d'une succession de pistons liquides suffisamment rapprochés les uns des autres pour
former un piston liquide de forme hélicoïdale.
Un tel piston remplace avantageusement les pales hélicoïdales mécaniques des dispositifs de pompage habituels en remplissant une fonction sensiblement identique, par exemple il remplace les pompes à vis de type vis
d'Archimède.
Dans cet exemple de réalisation, le piston liquide présente comme avantage d'être en majorité sensiblement axial, et non rotatif. L'effet centrifuge résultant de cette axialité, permet d'éviter la ségrégation du mélange composé des fluides moteur et primaire, cette ségrégation résultant notamment de reflet centrifuge associé aux jets rotatifs créés par des pales tournantes. Un tel type de comportement est semblable au comportement obtenu avec des pompes
volumétriques, à vis de type vis d'Archimède.
Afin de minimiser le frottement du patin sur la pièce ou glace de distribution comportant les orifices et de diminuer l'énergie prélevée nécessaire à la mise en rotation du patin, il est possible de diminuer les surfaces d'appui existant entre l'axe de rotation de la turbine et les autres pièces. Le frottement direct entre le patin d'obturation et la glace de distribution est éliminé par l'utilisation d'un pivot axial pouvant comporter un moyen permettant de rattraper le jeu, ce pivot étant,par exemple autolubrifiant.
Les figures 3 et 4 décrites ci-après schématisent des variantes des
dispositifs décrits précédemment.
La figure 3 représente une variante du dispositif différant de la figure 1 notamment par la forme de la pièce statique 2 et, plus particulièrement par son
extrémité, et de la pièce mobile 6.
La pièce statique 2 est ouverte à ses deux extrémités, la pièce en forme de T de la figure 1 est remplacée par une ouverture 20 dans laquelle est inséré un ensemble comportant notamment une turbine 21 de même type que celle de la figure 1. On peut utiliser une turbine de type moulinet habituellement utilisée pour les mesures débitmétriques effectuées sur des fluides dits "fluides propres", tels que des liquides exempts de particules. L'ensemble est positionné dans I'espace formé par la pièce statique 2, la pièce de liaison et d'étanchéité 5 et la
glace de distribution 4 (figure 1).
Cet ensemble comprend, par exemple, la turbine 21 comprenant une pièce 22 terminée à chacune de ses extrémités par une pointe, respectivement 23 et 24. La pointe 23 vient s'emboîter dans un emplacement prévu 23' de la pièce de distribution 4 et la pièce 24 dans un emplacement 24' d'une pièce 25 solidaire par exemple de la pièce creuse statique 2 par l'intermédiaire de moyens 26, tels que des bras de maintien. Le nombre des bras de maintien est, par exemple, au nombre de trois de manière à laisser circuler le plus librement possible le fluide moteur passant dans la pièce creuse statique 2. L'axe de la turbine 20 se situe par exemple sensiblement dans l'axe de la pièce de distribution. La présence de pointes permettant la tenue et la rotation de la turbine permettent de diminuer les
couples et les frottements entre pièces.
La pièce 25 comporte, par exemple, un moyen de rappel 27, tel un ressort pour rattraper des jeux éventuels résultant de l'usure des pointes au cours du
temps.
De façon à diminuer notablement les frictions entre pièces, un conduit 28 traverse, par exemple la pièce 25 de manière à laisser passer au moins une fraction du fluide moteur provenant de l'intérieur de la pièce creuse 2, cette fraction de fluide formant ainsi un film lubrifiant entre la pointe 24 et son logement 24'. Il en est de même pour la pointe 23 qui peut être lubrifiée par la formation d'un film sur sa surface obtenu par le passage d'une partie au moins
du fluide moteur par un conduit 29.
La turbine 21 comporte une série de pales P, chacune de ces pales est, de préférence, inclinée par rapport à l'axe de la turbine. La turbine de manière identique à la figure 1 porte au moins un moyen permettant d'obturer les orifices Ei de la pièce de distribution 4, tel qu'un patin 7, positionné par rapport à la pièce 4 de façon à minimiser le jeu entre la pièce de distribution et le patin. Le faible espace existant ainsi laisse passer la fraction de fluide moteur qui assure ainsi la
lubrification des deux pièces, et diminue les frottements.
La mise en rotation de la turbine s'effectue, par exemple, de manière
identique à celle décrite à la figure 1.
Selon un mode avantageux de réalisation schématisé à la figure 4, la turbine à réaction 14 et le patin associé de la figure 2 sont remplacés par un ensemble minimisant les forces de frottement conçu sur un principe identique à celui décrit à la figure 3, c'est-à-dire ayant une forme minimisant les surfaces
d'appui entre pièces.
Afin d'optimiser le passage du fluide moteur à travers les orifices Ei de la pièce de distribution, la turbine 49 peut comporter un redresseur à pales statiques 50 ayant notamment pour fonction de transformer de manière
avantageuse le fluide moteur en écoulement coaxial.
Le fluide moteur provenant de la pièce creuse statique attaque des pales 48 d'une turbine 49 positionnée autour de la pièce 22 et la met en rotation. La vitesse de rotation de la turbine est choisie, par exemple, en fonction des angles d'attaque et des angles de fuite des pales 48. Un redresseur à pales statiques 50 situé de manière sensiblement coaxiale à la turbine 49 permet de redresser le fluide moteur le transformant en écoulement coaxial. Le fluide moteur arrive ainsi avec une direction sensiblement coaxiale à l'axe de la turbine au niveau des orifices Ei, les chocs éventuel entre le fluide et la paroi des orifices et/ou de la pièce de distribution étant ainsi minimisés. Le transfert du fluide moteur sous la
forme de jets au fluide primaire à pomper s'en trouve optimisé.
Dans cet exemple de réalisation, le conduit 29 (figure 2) peut être situé selon l'axe de la pièce 22, par exemple sur toute la longueur de cette pièce et
être en communication avec le conduit 28.
Le fluide moteur est, par exemple, un liquide mis sous pression provenant
d'une source extérieure.
Selon un exemple avantageux de l'invention, le fluide moteur est, par exemple, un fluide miscible au fluide à pomper. Pour un fluide à pomper ayant une valeur de viscosité importante un tel mélange permet notamment de diminuer cette viscosité et de favoriser le pompage et le transport d'un tel fluide
sur des distances importantes.
Le fluide peut aussi comporter des produits ou additifs, tels que des anti-
corrosifs, des inhibiteurs d'hydrates ou qui permettent la formation de dépôts,
des additifs d'anti-floculation ou de précipitation des fluides à pomper.
Ces produits sont bien connus, par exemple, des spécialistes du domaine pétrolier. Sans sortir du cadre de l'invention, ce fluide peut aussi être de rl'huile ou de
l'eau provenant, par exemple, du gisement exploité.
Il peut aussi être constitué d'eau de mer. Dans ces deux cas, les fluides sont prélevés à partir d'une source ou de la mer à l'aide d'un dispositif non schématisé sur les figures et convoyé vers la partie creuse statique à l'aide d'une conduite. Lorsque de tels fluides sont utilisés, il est préférable de disposer en aval des orifices Oi laissant passer cette eau vers la pièce mobile un dispositif permettant d'arrêter d'éventuelles particules contenues dans une telle eau, tel qu'un filtre habituellement utilisé et dont la taille est adapté pour arrêter les particules éventuellement incluses dans
le fluide.
Pour des fluides provenant de source dont la pression est insuffisante, il es possible de positionner un dispositif élevant la pression de ces fluides pour les
amener à jouer le rôle d'un fluide moteur.
La forme des orifices de la pièce de distribution est choisie en fonction de la longueur du piston liquide souhaité. Ainsi ces ouvertures peuvent être
circulaires, allongées ou en forme de fente.
Afin de rester à puissance motrice moyenne constante, chaque diamètre d'une duse est de préférence apposé à une pièce de distribution pour conserver une vitesse instantanée de passage du liquide moteur dans la conduite d'arrivée
du fluide moteur.
La vitesse de rotation du dispositif séquentiel de création des jets, c'est-à-
dire la pièce de distribution, est, par exemple, comprise entre 0 et 3000 tours par minute. Le fluide moteur est, par exemple, éjecté avec un nombre de jets tel qu'il
favorise le rendement du dispositif.
La mise en contact du liquide moteur avec le patin favorise la formation d'un film fluide sous le patin qui minimise le frottement entre la section obturée et le patin. De cette façon, l'énergie nécessaire à la fonction d'obturation
séquentielle est faible.
La force d'appui entre la pièce mobile et les pièces de distribution et de maintien peut aussi être réduite en utilisant des pales de turbine présentant un
angle d'inclinaison choisi par rapport au jet interne.
Dans le cas des turbines à réaction, on incline les jets propulsifs, on peut
aussi utiliser des ailettes de contre réaction.
La mise en contact du liquide moteur avec le patin favorise la formation d'un film fluide sous le patin qui minimise le frottement entre la section obturée et le patin. De cette façon, I'énergie nécessaire à la fonction d'obturation
séquentielle est faible.
Cette force d'appui peut aussi être réduite en utilisant des pales de turbine présentant un angle d'inclinaison choisi par rapport à la direction que possède le
fluide moteur provenant de l'intérieur de la pièce creuse statique.
Dans le cas des turbines à réaction, cela consiste à incliner des jets
propulsifs ou des ailettes de contre réaction.
La mise en rotation de la pièce mobile, telle que la turbine à action, réaction ou tout type de turbine peut être pilotée par un dispositif, non représenté, permettant de dériver au moins une partie du fluide moteur de préférence
directement vers les orifices de la pièce de distribution.
Les dispositifs décrits précédemment en relation avec les figures peuvent être positionnées en extrémité d'un "Coil Tubing" qui est une technique de plus en plus employée pour la production de puits verticaux ainsi que pour des drains
horizontaux.
Claims (13)
1) Méthode permettant de communiquer directement de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide primaire à pomper comportant au moins une étape au cours de laquelle on envoie ledit fluide moteur sous forme d'au moins un jet vers ledit fluide primaire, I'envoi de ce jet se faisant par intermittence, de façon que ledit
fluide moteur transfère au moins une partie de son énergie audit fluide primaire.
2) Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'on envoie les jets de fluide selon une séquence dans laquelle les pistons fluides ainsi générés
sont séparés par des intervalles de temps sensiblement identiques.
3) Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'on envoie ledit fluide à travers plusieurs orifices dont la géométrie est adaptée à générer des
pistons fluides de longueurs sensiblement identiques.
) Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fluide primaire étant en écoulement dans une conduite, on envoie plusieurs jets de façon intermittente par rapport à un endroit donné d'une section de la conduite et de façon telle que la succession des jets de fluide forme un piston fluide de forme
sensiblement hélicoïdale.
6) Dispositif de pompage par échange direct d'énergie entre un fluide moteur et un fluide primaire, comportant en combinaison une pièce creuse statique (2) laissant le passage dudit fluide moteur, ladite pièce creuse statique (2) comportant à au moins une de ses extrémités au moins un orifice Oi, une pièce de distribution (3) comprenant au moins un orifice Ei, ladite pièce de distribution étant située par rapport à la pièce creuse statique pour laisser passer le fluide moteur d'un orifice Oi vers un orifice Ei, les pièces de distribution et la pièce statique étant solidaire grâce à une pièce de liaison et d'étanchéité (5), une pièce mobile (6) disposée dans l'espace formé par la pièce creuse statique (2), la pièce de distribution (3), et la pièce de liaison, ladite pièce mobile (6) portant au moins un moyen (7) permettant d'obturer les orifices Ei, de manière telle qu'au moins une partie dudit fluide moteur soit éjecté sous forme d'au moins un jet de manière intermittente vers le fluide primaire lors de la rotation de la pièce
mobile (6).
7) Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que les orifices Oi et Ei possedent des caractéristiques géométriques telles que la longueur des jets en
sortie des orifices Ei ont une forme et une longueur sensiblement identiques.
8) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce mobile (6)
est une turbine mise en rotation par le fluide moteur.
9) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre des orifices Oi situés sur la pièce creuse statique est égal au nombre des ouvertures
Ei situées sur la pièce de distribution.
) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce (9) située dans le prolongement de la pièce de distribution et alignée avec cette dernière à l'aide de moyens (10), la pièce (9) comportant au moins une
ouverture créant un espace de mélange 12i.
11) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce mobile est
une turbine à action mise en rotation par le fluide moteur.
12) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce mobile est
une turbine à réaction mise en rotation par le fluide moteur.
13) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les orifices de la pièce de distribution sont constitués par une fente unique circulaire et en ce que
les moyens d'obturation de la fente comporte un orifice 19.
14) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce de distribution est prolongée par une pièce dont la forme est adaptée pour créer un
ou plusieurs espaces de mélange.
) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications
précédentes pour communiquer de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide
polyphasique de viscosité élevée.
16) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications
précédentes pour communiquer de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide
polyphasique comportant des particules solides.
17) Application de la méthode et du dispositif selon l'une des revendications
précédentes pour communiquer de l'énergie d'un fluide moteur à un fluide pétrolier.
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Effective date: 20090331 |