FR2771028A1 - Device for separating components of a heterogeneous mixture - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF POUR LA SEPARATION DES CONSTITUANTS D'UN
MELANGE HETEROGENE
La présente invention concerne un dispositif pour la séparation des constituants d'un mélange hétérogène et son utilisation pour la séparation, en fond de puits de pétrole, d'un mélange d'eau et de pétrole.DEVICE FOR SEPARATING THE CONSTITUENTS OF A
HETEROGENEOUS MIXTURE
The present invention relates to a device for the separation of the constituents of a heterogeneous mixture and its use for the separation, at the bottom of an oil well, of a mixture of water and oil.
Dans de nombreuses applications industrielles, on peut être amené à séparer au moins deux fluides non miscibles, par exemple un gaz et un liquide, deux liquides non miscibles ou les phases d'un mélange ternaire formé de deux liquides et d'un gaz. In many industrial applications, it may be necessary to separate at least two immiscible fluids, for example a gas and a liquid, two immiscible liquids or the phases of a ternary mixture formed of two liquids and a gas.
De plus, il arrive fréquemment que le mélange initial contienne des particules solides qu'il est souhaitable d'introduire de manière préférentielle dans l'un ou l'autre des fluides séparés.In addition, it frequently happens that the initial mixture contains solid particles which it is desirable to preferentially introduce into one or the other of the separate fluids.
Pour réaliser cette opération, il existe plusieurs procédés connus, parmi lesquels les suivants - les séparateurs gravitaires. Ce sont des appareils de volume important dans lequel le temps de séjour de l'émulsion est de plusieurs dizaines de secondes. La technologie correspondante est connue et fait partie de l'art de l'ingénieur. On utilise, en particulier, des décanteurs munis de plaques parallèles internes; - les centrifugeuses. Ce sont des appareils entraînés par un moteur dans lesquels les phases lourdes sont centrifugées et les phases légères centripétées sous l'action d'un champ d'écoulement tournant. La vitesse tangentielle du fluide dans l'appareil est proportionnelle au rayon, ce qui limite son efficacité; - les cyclones. Ce sont des appareils fixes dans lesquels le mélange est introduit en périphérie de l'appareil tangentiellement à la paroi la plus éloignée de l'axe. Il se crée un écoulement dont la vitesse tangentielle augmente à mesure qu'on se rapproche du centre de l'appareil, ou tout au moins des orifices de sortie. Ces orifices de sortie sont situés près de l'axe de l'appareil, et le liquide les traverse selon une direction générale axiale. L'efficacité de ces appareils est assez bonne et ils sont largement appliqués pour réaliser des séparations de solides et de liquides, du triage de particules en fonction de leurs dimensions ou de la séparation liquide-liquide. Ces cyclones présentent néanmoins quelques inconvénients, dus au frottement du fluide sur les parois. Ceci a pour effet de créer une forte turbulence interne qui tend à remélanger les espèces, à freiner la rotation et à engendrer des pertes de charge très importantes. Par ailleurs, en séparation liquide-liquide, ces cyclones classiques ne peuvent fonctionner que si leur taille est petite, typiquement inférieure à 80 mm de diamètre. En conséquence, il est indispensable de les placer en parallèle si on souhaite faire transiter des débits importants. Ceci est très contraignant lorsqu'on cherche par exemple à effectuer de la séparation eau-huile en fond de puits de pétrole; - le séparateur tournant à alimentation périphérique longitudinale. Il s'agit d'un séparateur dont les parois tournent autour d'un axe, comme celles d'une centrifugeuse, la séparation s'effectuant dans une chambre cylindrique, l'alimentation en mélange de ladite chambre se faisant selon une direction axiale au travers de canaux parallèles à l'axe de rotation situés en périphérie de la chambre cylindrique, les sorties des fluides séparés se faisant au travers d'orifices cylindriques percés aux extrémités de la chambre tournante. Un tel séparateur est décrit dans le brevet français n" 2 592 324 déposé le 2 janvier 1986 et dont les inventeurs sont
Y.Lecoffre et J.Woillez. Elles permettent de réaliser une entrée dans le repère tournant selon une direction axiale, de telle sorte que, dans le repère absolu, le fluide entre avec une vitesse de rotation presque exactement égale à celle de la chambre cylindrique. Ceci permet de limiter très fortement les frottements tangentiels sur les parois de la chambre. On obtient alors un champ de vitesses dans la chambre de type
Vortex, dans lequel la vitesse tangentielle est inversement proportionnelle au rayon.To carry out this operation, there are several known methods, among which the following - gravity separators. These are devices of large volume in which the residence time of the emulsion is several tens of seconds. The corresponding technology is known and is part of the art of the engineer. In particular, decanters provided with internal parallel plates are used; - centrifuges. These are devices driven by a motor in which the heavy phases are centrifuged and the light phases are centripetal under the action of a rotating flow field. The tangential speed of the fluid in the device is proportional to the radius, which limits its efficiency; - cyclones. These are fixed devices in which the mixture is introduced at the periphery of the device tangentially to the wall farthest from the axis. A flow is created, the tangential speed of which increases as one approaches the center of the apparatus, or at least the outlet orifices. These outlet ports are located near the axis of the device, and the liquid passes through them in a generally axial direction. The efficiency of these devices is quite good and they are widely applied for separating solids and liquids, sorting particles according to their dimensions or liquid-liquid separation. These cyclones nevertheless have some drawbacks, due to the friction of the fluid on the walls. This has the effect of creating a strong internal turbulence which tends to remix the species, to slow down the rotation and to generate very large pressure losses. Furthermore, in liquid-liquid separation, these conventional cyclones can only operate if their size is small, typically less than 80 mm in diameter. Consequently, it is essential to place them in parallel if one wishes to pass through significant flows. This is very restrictive when it is sought, for example, to perform water-oil separation at the bottom of an oil well; - the rotating separator with longitudinal peripheral feed. It is a separator whose walls rotate around an axis, like those of a centrifuge, the separation taking place in a cylindrical chamber, the supply of mixture to said chamber taking place in an axial direction at through channels parallel to the axis of rotation situated on the periphery of the cylindrical chamber, the outlets of the separated fluids being made through cylindrical orifices drilled at the ends of the rotating chamber. Such a separator is described in French patent No. 2,592,324 filed on January 2, 1986, the inventors of which are
Y. Lecoffre and J. Wooulez. They make it possible to make an entry into the rotary reference mark in an axial direction, so that, in the absolute reference mark, the fluid enters with a speed of rotation almost exactly equal to that of the cylindrical chamber. This makes it possible to very greatly limit the tangential friction on the walls of the chamber. We then obtain a velocity field in the type chamber
Vortex, in which the tangential speed is inversely proportional to the radius.
Elle augmente donc rapidement lorsqu'on se rapproche du centre de l'appareil, ce qui a pour effet d'augmenter spectaculairement les vitesses de migration radiale des globules à séparer. L'appareil réalise une séparation très efficace, malgré des temps de séjour de l'ordre de la seconde. il est donc particulièrement compact. De plus, et c'est là une de ses caractéristiques importantes, il peut fonctionner dans une large gamme de débits du mélange d'entrée, dont le rapport entre les débits extrêmes est supérieur à 20. Ce séparateur présente, dans ses versions actuelles de séparation de deux liquides non miscibles, les inconvénients suivants
- le liquide léger séparé contient toujours une quantité importante et souvent
prépondérante de liquide lourd;
- les pertes de charge sur le liquide lourd sont relativement importantes;
- les pertes de charge sur le liquide léger sont pratiquement doubles des pertes de
charge sur le liquide lourd. On atteint ainsi dans certains cas des pertes de charge
d'une dizaine de bars;
- l'appareil ne traite que des mélanges contenant une faible quantité de liquide
léger, typiquement de l'ordre de 1% à 3%;
- l'entraînement de l'appareil s'effectue au moyen d'un moteur placé latéralement
et d'une courroie, ce qui augmente fortement son encombrement latéral et interdit
son utilisation dans des tuyauteries de petit diamètre, comme c'est le cas en
exploitation pétrolière.It therefore increases rapidly when you get closer to the center of the device, which has the effect of dramatically increasing the radial migration speeds of the globules to be separated. The device achieves a very effective separation, despite residence times of the order of a second. it is therefore particularly compact. In addition, and this is one of its important characteristics, it can operate in a wide range of flow rates of the inlet mixture, whose ratio between the extreme flow rates is greater than 20. This separator has, in its current versions of separation of two immiscible liquids, the following disadvantages
- the separated light liquid always contains a large quantity and often
predominantly heavy liquid;
- the pressure drops on the heavy liquid are relatively large;
- the pressure drops on the light liquid are almost double the pressure drops
load on heavy liquid. In some cases, pressure drops are reached
about ten bars;
- the device only processes mixtures containing a small amount of liquid
light, typically of the order of 1% to 3%;
- the device is driven by a motor placed laterally
and a strap, which greatly increases its lateral dimensions and prohibits
its use in small diameter pipes, as is the case in
oil exploitation.
L'objet de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités. il concerne donc les séparateurs tournants à alimentation périphérique, sous réserve qu'ils fonctionnent avec des caractéristiques inhabituelles. La présente invention vise donc à répondre aux besoins suivants:
- limiter les pertes de charge;
- pouvoir intégrer le séparateur dans une tuyauterie de petit diamètre et tout
spécialement un tube de puits de production de pétrole;
- permettre de séparer les fluides contenus dans des mélanges liquide-liquide
riches en l'un ou l'autre des constituants;
- pouvoir intégrer le séparateur à une ligne d'arbre de pompe;
- pouvoir séparer des solides;
- réinjecter les solides séparés dans l'une ou l'autre des phases liquides;
- séparer des gaz;
- effectuer une séparation des gaz, puis des liquides et des solides dans un
appareil intégré;
- intégrer un séparateur de finition sur l'un ou l'autre des liquides à séparer;
- mettre en oeuvre des moyens de régulation des débits de liquide;
- mettre en oeuvre des dispositions permettant de limiter les fluctuations de
concentration à l'entrée du séparateur;
- mettre en oeuvre des dispositions permettant d'optimiser les conditions
d'alimentation de l'appareil. The object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks. it therefore concerns rotary separators with peripheral supply, provided that they operate with unusual characteristics. The present invention therefore aims to meet the following needs:
- limit pressure losses;
- be able to integrate the separator in small diameter piping and all
especially an oil production well tube;
- allow the fluids contained in liquid-liquid mixtures to be separated
rich in one or other of the constituents;
- be able to integrate the separator into a pump shaft line;
- ability to separate solids;
- reinjecting the separated solids into one or other of the liquid phases;
- separate gases;
- separate gases, then liquids and solids in a
integrated device;
- integrate a finishing separator on one or other of the liquids to be separated;
- implement means for regulating the flow of liquid;
- to implement provisions making it possible to limit fluctuations in
concentration at the inlet of the separator;
- implement measures to optimize conditions
the device.
Dans les appareils existants, la sortie du liquide le moins dense se fait en général au travers de tubes de petit diamètre parfois situés du côté de l'entrée du mélange, parfois du côté opposé à cette entrée de mélange. Par ailleurs, ces appareils fonctionnent toujours avec un débit réduit 4 inférieur à 0.1 Ce paramètre & ,
est est défini par E RQV2 ,où Q est le débit en m3is, Ro le rayon extérieur en mètres à l'entrée du tube dans lequel s'effectue la séparation et VT0 la vitesse tangentielle en mètres par seconde en ce même point. La conséquence de cette conception est que les frottements dans l'appareil sont très élevés en raison de la faible valeur du coefficient de débit. Par ailleurs, les pertes de charge sont également importantes, malgré ce frottement intense, car la récupération du liquide léger se fait au point où la pression dans le séparateur est la plus faible, c'est à dire sur son axe. Enfin, au travers de la sortie de liquide léger passe une quantité appréciable de fluide lourd en raison de recirculations qui se produisent dans la sortie de liquide lourd. On recueille donc toujours un liquide léger chargé de liquide lourd.In existing devices, the exit of the least dense liquid is generally done through tubes of small diameter sometimes located on the side of the mixture inlet, sometimes on the side opposite to this mixture inlet. Furthermore, these devices always operate with a reduced flow rate 4 less than 0.1 This parameter &,
is is defined by E RQV2, where Q is the flow in m3is, Ro the outside radius in meters at the inlet of the tube in which the separation takes place and VT0 the tangential speed in meters per second at this same point. The consequence of this design is that the friction in the device is very high due to the low value of the flow coefficient. In addition, the pressure drops are also significant, despite this intense friction, since the recovery of the light liquid takes place at the point where the pressure in the separator is the lowest, ie on its axis. Finally, through the light liquid outlet passes an appreciable amount of heavy fluid due to recirculations which occur in the heavy liquid outlet. We therefore always collect a light liquid loaded with heavy liquid.
Par ailleurs, lors de leur exploitation, les puits de pétrole produisent des émulsions de plus en plus riches en eau. Avec les techniques traditionnelles de production, cette eau est évacuée en tête de puits avec le pétrole produit. Elle doit être ensuite séparée dans des installations à terre puis réintroduite dans le sol, à des profondeurs différentes de la nappe contenant du pétrole. In addition, during their exploitation, oil wells produce emulsions which are increasingly rich in water. With traditional production techniques, this water is evacuated at the top of the well with the oil produced. It must then be separated in onshore installations and then reintroduced into the soil, at different depths from the oil-containing aquifer.
Pour éviter cette opération particulièrement coûteuse, on a imaginé de séparer le pétrole et l'eau en fond de puits, puis de réintroduire l'eau dans une formation géologique adaptée en la faisant en général passer dans une pompe. Le pétrole, qui peut encore contenir une certaine quantité d'eau, est alors transporté vers la surface naturellement ou au travers d'une pompe, selon que le puits est ou non éruptif. To avoid this particularly costly operation, it has been imagined to separate the oil and the water at the bottom of the well, then to reintroduce the water into a suitable geological formation by generally passing it through a pump. The oil, which may still contain a certain amount of water, is then transported to the surface naturally or through a pump, depending on whether the well is eruptive or not.
Il faut donc disposer de séparateurs de faible diamètre, mais ayant des performances suffisantes en séparation pour s'assurer que l'eau réinjectée ne contient plus que de très faibles quantités de pétrole, par exemple inférieures à 300 mg/l. It is therefore necessary to have separators of small diameter, but having sufficient separation performance to ensure that the reinjected water contains only very small quantities of petroleum, for example less than 300 mg / l.
Les techniques existantes consistent à mettre en oeuvre des cyclones fixes dont les performances en séparation sont médiocres, les débits limités et qui n'admettent pas de variations importantes du débit de production. Ceci oblige à utiliser, sur les puits les plus productifs, jusqu'à une vingtaine d'appareils en parallèle, chacun d'eux pouvant être associé à un cyclone de finition. Par exemple, dans le cas d'un puits produisant 20 000 barils par jour (BPD), il faut envisager la mise en oeuvre d'un ensemble de cyclones pouvant atteindre 40 appareils. Ceci conduit à une très grande complexité des arrangements de tuyauteries et sans doute à des coûts d'investissement et de fonctionnement très élevés. The existing techniques consist in using fixed cyclones whose separation performance is poor, the flows limited and which do not admit significant variations in the production flow. This makes it necessary to use, on the most productive wells, up to twenty devices in parallel, each of which can be associated with a finishing cyclone. For example, in the case of a well producing 20,000 barrels per day (BPD), consideration should be given to implementing a set of cyclones of up to 40 devices. This leads to a very great complexity of the piping arrangements and undoubtedly to very high investment and operating costs.
La présente invention est relative à un dispositif pour la séparation des constituants d'un mélange hétérogène. Ce dispositif comprend une chambre de séparation de forme sensiblement cylindrique et ayant une entrée et une sortie, cette sortie comportant un orifice annulaire coaxial avec la chambre de séparation et dont le diamètre extérieur D1 est inférieur au diamètre intérieur Do de cette chambre. The present invention relates to a device for the separation of the constituents of a heterogeneous mixture. This device comprises a separation chamber of substantially cylindrical shape and having an inlet and an outlet, this outlet comprising an annular orifice coaxial with the separation chamber and the outside diameter D1 of which is less than the inside diameter Do of this room.
Ce dispositi-fse caractérise en ce qu'il comporte en outre un tube central coaxial avec la chambre de séparation, de diamètre inférieur au diamètre intérieur D2 de l'orifice annulaire, s'étendant au moins de l'entrée à la sortie de la chambre de séparation et muni d'une pluralité d'orifices. This arrangement is characterized in that it further comprises a central tube coaxial with the separation chamber, of diameter less than the internal diameter D2 of the annular orifice, extending at least from the inlet to the outlet of the separation chamber and provided with a plurality of orifices.
Ainsi, les caractéristiques du dispositif selon l'invention conduisent à aspirer le fluide léger, non pas au centre de l'écoulement tourbillonnaire où la pression est minimale, mais selon un rayon plus grand pour lequel la pression est plus forte, ce qui limite les pertes de charge. Thus, the characteristics of the device according to the invention lead to suction of the light fluid, not at the center of the vortex flow where the pressure is minimal, but according to a larger radius for which the pressure is higher, which limits the pressure losses.
L'orifice annulaire ou couronne de sortie du liquide lourd doit être dimensionné de telle sorte que le liquide lourd sorte du séparateur en tout point de cette couronne et qu'il n'y ait pas de recirculations comme c est le cas dans les cyclones traditionnels. The annular orifice or crown for the exit of the heavy liquid must be dimensioned so that the heavy liquid leaves the separator at all points of this crown and that there is no recirculation as is the case in traditional cyclones .
Dans le présent exposé, on entend par "largeur d'une couronne", la différence des diamètres des deux cercles qui la limitent. In the present description, the term "width of a crown" means the difference in the diameters of the two circles which limit it.
Pour une couronne de largeur donnée, il existe un débit minimum qui permet d'obtenir les meilleures conditions de séparation. On s'efforce donc de toujours travailler à un débit supérieur à ce débit minimum de mise en charge de la couronne de sortie du liquide lourd. Ce débit minimum peut être déterminé soit par le calcul, soit à partir d'expériences. Par exemple, pour un cyclone à parois tournantes de diamètre extérieur Do égal à 100 mm, tournant à 3000 tr/mn, ce débit minimum correspondant à une couronne de diamètre extérieur égal à 70 mm et de largeur égale à 5 mm est de l'ordre de 10 I/s. Ce débit minimum est ajustable par simple variation de la largeur de la couronne de sortie du liquide lourd. For a crown of given width, there is a minimum flow which makes it possible to obtain the best separation conditions. Efforts are therefore always made to work at a flow rate greater than this minimum flow rate for loading the heavy liquid outlet crown. This minimum flow can be determined either by calculation or from experiments. For example, for a cyclone with revolving walls of external diameter Do equal to 100 mm, rotating at 3000 rpm, this minimum flow rate corresponding to a crown of external diameter equal to 70 mm and of width equal to 5 mm is order of 10 I / s. This minimum flow rate is adjustable by simply varying the width of the heavy liquid outlet crown.
Le diamètre D3 du tube central creux constitue la limite inférieure pour laquelle l'écoulement est en rotation de type vortex. Lorsque l'on se trouve à un diamètre supérieur, l'écoulement dans le séparateur est sain et la séparation se fait correctement. Pour les diamètres inférieurs, l'écoulement dans le séparateur se transforme en une zone de liquide mort où la distribution de vitesse tangentielle est proportionnelle au rayon courant, cette zone étant aussi appelée en rotation solide. The diameter D3 of the hollow central tube constitutes the lower limit for which the flow is in rotation of the vortex type. When you are at a larger diameter, the flow in the separator is healthy and the separation is done correctly. For the smaller diameters, the flow in the separator is transformed into a zone of dead liquid where the tangential velocity distribution is proportional to the current radius, this zone also being called in solid rotation.
Du point de vue de la séparation, cette zone est inutile et, étant donné son faible volume, son efficacité en matière de séparation est quasi nulle. On peut dire que, pratiquement, un cyclone dont le diamètre D3 est au maximum égal à la moitié du diamètre externe dru séparateur a des performances en séparation aussi bonnes que si
D3 était très petit, mais ses pertes de charge sont très inférieures, par exemple deux à dix fois inférieures à celles d'un cyclone traditionnel, à parois fixes ou tournantes.From the point of view of separation, this zone is useless and, given its small volume, its efficiency in terms of separation is almost zero. We can say that, practically, a cyclone whose diameter D3 is at most equal to half the external diameter of the separator has separation performance as good as if
D3 was very small, but its pressure drops are much lower, for example two to ten times lower than those of a traditional cyclone, with fixed or rotating walls.
Toujours au premier ordre, la perte de charge d'un cyclone ne dépend que du coefficient de débit 5 et du rapport 6 = Do Pratiquement, la perte de charge varie D3 comme 52 lorsque la couronne d'extraction de liquide lourd ne présente pas de recirculations. Plus le diamètre du tube d'extraction de liquide léger est faible et plus la perte de charge est élevée; cette tendance étant parfaitement confirmée par les essais disponibles dans la littérature.Still at the first order, the pressure drop of a cyclone depends only on the flow coefficient 5 and the ratio 6 = C. In practice, the pressure drop varies D3 as 52 when the heavy liquid extraction crown does not have any recirculations. The smaller the diameter of the light liquid extraction tube, the higher the pressure drop; this trend is perfectly confirmed by the tests available in the literature.
Enfin, la qualité de la séparation, et, en particulier, le taux résiduel de liquide lourd dans le liquide léger dépendent de la présence ou non de recirculations dans la sortie de liquide lourd. En l'absence de recirculation, on peut espérer extraire un produit léger quasiment pur. Finally, the quality of the separation, and, in particular, the residual rate of heavy liquid in the light liquid depends on the presence or not of recirculations in the outlet of heavy liquid. In the absence of recirculation, we can hope to extract an almost pure light product.
On comprend donc, au travers de ce qui précède, l'importance capitale des orifices de sortie sur les performances d'un séparateur liquide-liquide. It is therefore understood, through the foregoing, the capital importance of the outlet orifices on the performance of a liquid-liquid separator.
Le dispositif selon l'invention convient donc en particulier à la séparation des constituants d'un mélange hétérogène de deux fluides non miscibles, le premier, dit fluide lourd, étant plus dense que le second, dit fluide léger, ce fluide léger pouvant être présent sous forme de globules dispersés dans le fluide lourd. The device according to the invention is therefore particularly suitable for the separation of the constituents of a heterogeneous mixture of two immiscible fluids, the first, said heavy fluid, being denser than the second, said light fluid, this light fluid may be present in the form of globules dispersed in the heavy fluid.
Ce dispositif peut donc avantageusement être installé sur un puits de production de pétrole, le cylindre creux tournant étant alors entraîné par un moteur dont l'axe de rotation est le même que celui du cylindre creux, le fluide léger étant le pétrole et le fluide lourd l'eau présente dans la formation pétrolière. This device can therefore advantageously be installed on an oil production well, the rotating hollow cylinder then being driven by a motor whose axis of rotation is the same as that of the hollow cylinder, the light fluid being petroleum and heavy fluid the water present in the oil formation.
L'entrée du mélange dans la chambre de séparation peut être réalisé au travers de canaux radiaux mais elle est de préférence réalisée au travers de canaux périphériques tournants dont au moins la sortie est parallèle à l'axe de rotation de la chambre de séparation. The entry of the mixture into the separation chamber can be carried out through radial channels but it is preferably carried out through rotating peripheral channels, at least the outlet of which is parallel to the axis of rotation of the separation chamber.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de l'exposé qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées parmi lesquelles
- la figure la est une représentation schématique de l'ensemble du dispositif selon l'invention;
- la figure lb est un agrandissement d'une partie du dispositif de la figure 1 montrant l'entrée du dispositif selon l'invention;
- la figure lc est un autre agrandissement d'une partie du dispositif de la figure 1, montrant la sortie du dispositif selon l'invention;
- la figure 2a représente un dispositif selon l'invention précédé d'un mélangeur;
- la figure 2b est un agrandissement d'une partie de la figure 2a, montrant plus en détail le mélangeur.Other characteristics and advantages of the present invention will appear better on reading the following description of several embodiments of the invention given by way of nonlimiting examples. The description refers to the appended figures among which
- Figure la is a schematic representation of the entire device according to the invention;
- Figure lb is an enlargement of a part of the device of Figure 1 showing the inlet of the device according to the invention;
- Figure lc is another enlargement of part of the device of Figure 1, showing the output of the device according to the invention;
- Figure 2a shows a device according to the invention preceded by a mixer;
- Figure 2b is an enlargement of part of Figure 2a, showing in more detail the mixer.
Le dispositif de séparation selon l'invention va maintenant être décrit en détail en se référant à ces figures. The separation device according to the invention will now be described in detail with reference to these figures.
Lors de la mise en oeuvre du dispositif, le mélange à séparer se dirige de l'entrée vers la sortie du séparateur selon des trajectoires hélicoïdales. En raison de cet écoulement tourbillonnaire, le fluide le plus léger a tendance à se rassembler vers le centre du séparateur et le fluide le plus lourd vers l'extérieur. Cette séparation étant faite par l'association des organes situés à l'amont de la chambre de séparation, il ne reste qu'à prélever de manière symétrique par rapport l'axe, les flux des deux espèces. During the implementation of the device, the mixture to be separated is directed from the inlet to the outlet of the separator according to helical paths. Due to this vortex flow, the lighter fluid tends to collect towards the center of the separator and the heavier fluid outwards. This separation being made by the association of the organs located upstream of the separation chamber, it only remains to sample symmetrically with respect to the axis, the flows of the two species.
Comme ordres de grandeur des paramètres caractéristiques d'un tel séparateur tournant, on peut citer, pour le tube tournant 101 (cf. figure la), un diamètre extérieur de 110 mm, pour la chambre tournante, un diamètre extérieur de 100 mm et pour la longueur de la chambre de séparation sur laquelle s'effectue la séparation, 800 mm. La température du mélange est usuellement de 130"C, la différence de densité entre l'eau et le pétrole est en général de 180 kg/m3. Au débit de 40 1/s (20 000 BPD) et pour une vitesse de rotation de 3000 tr/mn, un tel appareil est capable d'éliminer toute goutte de pétrole de diamètre inférieur à 40 microns. La puissance qu'il consomme est inférieure à 50 kW. L'ordre de grandeur des pertes de charge est alors de 5 à 6 bars sur chacune des phases. As orders of magnitude of the characteristic parameters of such a rotating separator, mention may be made, for the rotating tube 101 (cf. FIG. 1 a), of an outside diameter of 110 mm, for the rotating chamber, an outside diameter of 100 mm and for the length of the separation chamber on which the separation takes place, 800 mm. The temperature of the mixture is usually 130 "C, the density difference between water and oil is generally 180 kg / m3. At a flow rate of 40 1 / s (20,000 BPD) and for a rotation speed of 3000 rpm, such a device is capable of eliminating any drop of oil with a diameter of less than 40 microns. The power it consumes is less than 50 kW. The order of magnitude of the pressure drops is then from 5 to 6 bars on each of the phases.
De préférence, on choisit un tube central dont le diamètre est supérieur à 0,3 fois le diamètre intérieur Do de la chambre de séparation. Preferably, a central tube is chosen whose diameter is greater than 0.3 times the internal diameter Do of the separation chamber.
Il est également préférable que le diamètre extérieur D1 de l'orifice annulaire soit supérieur à 0,4 fois le diamètre intérieur Do de la chambre de séparation. It is also preferable that the outside diameter D1 of the annular orifice is greater than 0.4 times the inside diameter Do of the separation chamber.
Les figures la, lb et lc représentent schématiquement le dispositif selon l'invention. Ce dispositif est placé dans un tube 150 constituant la paroi du puits. Il est formé d'un tube extérieur 100, fixe et d'un tube tournant 101 constituant la virole externe de la chambre de séparation 106. Un second tube fixe 103 est lié au tube 100 au moyen d'une pluralité d'ailettes 121 (fig.lb). Le mélange à séparer entre dans la chambre de séparation 106 en passant dans le jeu ménagé entre les viroles 100 et 103. Le tube tournant 101 est lié au tube central d'extraction 107 par l'intermédiaire d'ailettes et d'une pièce pleine 123 comportant une partie tronconique et une partie cylindrique, appelée ogive 123. Cette ogive 123 est coaxiale avec la chambre de séparation et traversée par le tube central 107. L'espace annulaire situé entre la partie cylindrique de l'ogive 123 et le tube 101 constituant la paroi de la chambre de séparation 106 comprend des ailettes présentant une direction générale parallèle à l'axe de rotation à la sortie des canaux 108 qu'elles forment entre l'ogive 123 et le tube 101. Figures la, lb and lc schematically represent the device according to the invention. This device is placed in a tube 150 constituting the wall of the well. It is formed of an outer tube 100, fixed and of a rotating tube 101 constituting the outer shell of the separation chamber 106. A second fixed tube 103 is linked to the tube 100 by means of a plurality of fins 121 ( fig.lb). The mixture to be separated enters the separation chamber 106 passing through the clearance provided between the ferrules 100 and 103. The rotating tube 101 is connected to the central extraction tube 107 by means of fins and a solid part. 123 comprising a frustoconical part and a cylindrical part, called a warhead 123. This warhead 123 is coaxial with the separation chamber and traversed by the central tube 107. The annular space located between the cylindrical part of the warhead 123 and the tube 101 constituting the wall of the separation chamber 106 comprises fins having a general direction parallel to the axis of rotation at the outlet of the channels 108 which they form between the warhead 123 and the tube 101.
A l'autre extrémité du séparateur, le tube 101 est relié à la conduite d'évacuation 112. At the other end of the separator, the tube 101 is connected to the evacuation pipe 112.
La sortie de la chambre de séparation 106 présente:
- une pièce ou partie annulaire périphérique P1, s'étendant depuis la paroi de
la chambre de séparation 106 vers l'axe de cette chambre 106,
- une pièce centrale P2 ayant une section circulaire de diamètre inférieur au
diamètre extérieur D1 de l'orifice annulaire 110 mais supérieur au diamètre du
tube central 107,
- la pièce centrale P2 étant disposée à l'intérieur de la pièce annulaire
périphérique P1, de façon à ce que l'orifice annulaire 110 soit constitué par
l'espace entre la pièce annulaire périphérique P1 et la pièce centrale P2.The outlet of the separation chamber 106 has:
- a peripheral annular part or part P1, extending from the wall of
the separation chamber 106 towards the axis of this chamber 106,
- a central part P2 having a circular section of diameter less than
outer diameter D1 of the annular orifice 110 but greater than the diameter of the
central tube 107,
- the central part P2 being arranged inside the annular part
peripheral P1, so that the annular orifice 110 is constituted by
the space between the peripheral annular part P1 and the central part P2.
Une chambre de recueil 111 est formée par la partie du tube 101 s'étendant au-delà de la pièce annulaire P1 et l'extrémité fermée du tube 101 qui est reliée à la conduite d'évacuation I 12. Ltorifice annulaire 110 débouche dans cette chambre de recueil 111. A collection chamber 111 is formed by the part of the tube 101 extending beyond the annular part P1 and the closed end of the tube 101 which is connected to the discharge pipe I 12. The annular orifice 110 opens into this collection chamber 111.
La pièce centrale P2 peut être de forme tronconique. Dans ce cas, il est préférable que le sommet du tronc de cône se situe du côté de la chambre de séparation 106 et non du côté de la chambre de recueil 111. The central part P2 can be of frustoconical shape. In this case, it is preferable that the top of the truncated cone is located on the side of the separation chamber 106 and not on the side of the collection chamber 111.
Le tube central 107 est, au niveau de la sortie de la chambre de séparation, en butée contre la pièce centrale P2, solidaire de cette pièce et son extrémité est obstruée par la pièce P2. The central tube 107 is, at the outlet of the separation chamber, in abutment against the central part P2, integral with this part and its end is obstructed by the part P2.
La conduite d'évacuation 112 est un tube coaxial avec la chambre de séparation 106. Elle se trouve au centre de la chambre de recueil 111, en butée avec la pièce centrale P2, solidaire de cette pièce. The evacuation pipe 112 is a tube coaxial with the separation chamber 106. It is located in the center of the collection chamber 111, in abutment with the central part P2, integral with this part.
L'extrémité de la conduite 112 en butée contre la pièce P2 est obstruée par cette dernière. La conduite 112 s'étend au-delà de l'extrémité fermée du tube 101. The end of the pipe 112 in abutment against the part P2 is obstructed by the latter. Line 112 extends beyond the closed end of tube 101.
Elle comporte une première série d'orifices 113 située à l'intérieur de la chambre de recueil 111 et permettant l'entrée du liquide, ainsi qu'une deuxième série d'orifices 114 éloignée axialement de la première série d'orifices 113 et située en dehors de la chambre de recueil 111. It comprises a first series of orifices 113 situated inside the collection chamber 111 and allowing the entry of the liquid, as well as a second series of orifices 114 axially distant from the first series of orifices 113 and situated outside the collection chamber 111.
L'extrémité voisine de la conduite 112 se trouvant à l'extérieur de la chambre de recueil 111 est obstruée, de façon à ce que le contenu de la conduite 112 ne puisse s'échapper que par les orifices 114. The adjacent end of the pipe 112 outside the collection chamber 111 is obstructed, so that the contents of the pipe 112 can only escape through the orifices 114.
L'ensemble tournant formé des pièces 101, 107, 108, 123, P1, P2, et 112 est supporté par les roulements 104 et 116, protégés par les garnitures mécaniques 105 et 117. Il a donc l'avantage d'être aligné et est entraîné par des moyens d'entraînement en rotation, en l'occurence, un moteur 118. L'ensemble présente par conséquent un faible diamètre et peut être dimensionné de telle sorte qu'il puisse être installé à l'intérieur du tube 150 constituant la paroi du puits. The rotating assembly formed of parts 101, 107, 108, 123, P1, P2, and 112 is supported by the bearings 104 and 116, protected by the mechanical seals 105 and 117. It therefore has the advantage of being aligned and is driven by rotary drive means, in this case, a motor 118. The assembly therefore has a small diameter and can be dimensioned so that it can be installed inside the tube 150 constituting the wall of the well.
Le dispositif selon l'invention convient donc parfaitement à la séparation d'un mélange d'eau et de pétrole, tel qu'on le trouve en fond de puits de production pétrolière. Le mélange provenant de la formation pétrolière est introduit dans le canal 120 selon les flèches 119. Il pénètre ensuite dans la chambre intermédiaire 124, puis dans les canaux 108 situés à l'extérieur de la chambre tournante, ces canaux compris entre le tube 101 et l'ogive 123 étant coaxiaux avec la chambre de séparation et séparés par des ailettes fines dont le nombre sera choisi de telle sorte que la section des canaux 108 soit sensiblement carrée. The device according to the invention is therefore perfectly suited for the separation of a mixture of water and oil, as found at the bottom of an oil production well. The mixture from the petroleum formation is introduced into the channel 120 according to the arrows 119. It then enters the intermediate chamber 124, then into the channels 108 situated outside the rotating chamber, these channels lying between the tube 101 and the warhead 123 being coaxial with the separation chamber and separated by fine fins, the number of which will be chosen so that the section of the channels 108 is substantially square.
Lorsque le mélange pénétre dans ces canaux 108, il est mis en rotation. La direction générale des canaux à leur sortie est parallèle à l'axe de rotation. De ce fait, l'écoulement est dirigé axialement dans le repère tournant constitué par la chambre de séparation. Dans le repère absolu, l'écoulement présente une rotation dont l'intensité dépend de la vitesse de rotation du moteur d'entraînement 118. Lorsqu'il entre dans la chambre de séparation tournante 106, le mélange est ralenti dans la direction axiale en raison de la forme conique de l'ogive. En raison de la rotation de la chambre et de la quasi absence de frottements sur la paroi externe de la chambre, la composante tangentielle de la vitesse d'écoulement dans le repère absolu tend à augmenter à mesure qu'on se rapproche de l'axe de ladite chambre, selon une loi proche d'un écoulement vortex, caractérisée par une dépendance de cette dite composante tangentielle de la vitesse inversement proportionnelle au rayon courant, ce qui a pour conséquence de créer un champ d'accélération radial particulièrement important. Dans ce champ d'accélération radiale, les globules du fluide le plus léger tendent à migrer vers l'axe de la chambre tournante, alors que le fluide le plus lourd migre vers l'extérieur. On assiste donc dans la chambre à une séparation progressive des deux liquides à mesure qu'on avance vers la sortie. Le liquide léger se plaque contre le tube 107 et est aspiré au travers des orifices 109. Le liquide lourd est entraîné jusqu'à l'extrémité aval de la chambre tournante et est évacué au travers de l'orifice annulaire 110. La présence du tube central perforé 107 permet de répartir l'aspiration du fluide léger sur toute la longueur de la chambre tournante, ce qui permet de limiter l'aspiration d'eau qui est inévitable lorsque la sortie d'huile est localisée. On peut ainsi traiter des mélanges présentant une forte teneur en huile. When the mixture enters these channels 108, it is rotated. The general direction of the channels at their outlet is parallel to the axis of rotation. As a result, the flow is directed axially in the rotating reference frame constituted by the separation chamber. In the absolute reference, the flow has a rotation whose intensity depends on the speed of rotation of the drive motor 118. When it enters the rotary separation chamber 106, the mixture is slowed down in the axial direction due of the conical shape of the warhead. Due to the rotation of the chamber and the virtual absence of friction on the external wall of the chamber, the tangential component of the flow velocity in the absolute coordinate system tends to increase as we get closer to the axis of said chamber, according to a law close to a vortex flow, characterized by a dependence of this said tangential component of the speed inversely proportional to the current radius, which has the consequence of creating a particularly large radial acceleration field. In this field of radial acceleration, the globules of the lightest fluid tend to migrate towards the axis of the rotating chamber, while the heaviest fluid migrates outwards. There is therefore a gradual separation in the chamber of the two liquids as one advances towards the exit. The light liquid is pressed against the tube 107 and is sucked through the orifices 109. The heavy liquid is entrained up to the downstream end of the rotating chamber and is discharged through the annular orifice 110. The presence of the tube central perforated 107 distributes the suction of the light fluid over the entire length of the rotating chamber, which makes it possible to limit the suction of water which is inevitable when the oil outlet is located. It is thus possible to treat mixtures having a high oil content.
Lors de la mise en oeuvre du dispositif, l'eau séparée passe dans une chambre de recueil 111, puis au travers des orifices 113 à l'intérieur de la conduite d'évacuation 112. Elle quitte cette conduite 112 au travers des orifices 114, se retrouve dans la chambre d'évacuation 115 et est évacuée selon les flèches 125. Le moteur 118 est balayé par l'eau extraite lorsqu'elle passe dans le jeu 126 entre ce moteur 118 et le tube extérieur 100. During the implementation of the device, the separated water passes into a collection chamber 111, then through the orifices 113 inside the evacuation pipe 112. It leaves this pipe 112 through the orifices 114, is found in the evacuation chamber 115 and is evacuated according to the arrows 125. The motor 118 is swept by the extracted water when it passes through the clearance 126 between this motor 118 and the outer tube 100.
Les figures 2a et 2b donnent un exemple d'implantation du dispositif selon l'invention dans un champ pétrolier. Le mélange dont on veut séparer les phases est préalablement homogénéisé pour éviter des fluctuations de la concentration relative des divers éléments, gaz, huile et eau en particulier dans le cas d'un forage pétrolier. Figures 2a and 2b give an example of installation of the device according to the invention in an oil field. The mixture from which the phases are to be separated is homogenized beforehand to avoid fluctuations in the relative concentration of the various elements, gas, oil and water, in particular in the case of oil drilling.
Ces fluctuations peuvent en particulier provenir de la formation d'écoulements diphasiques de type "à bouchons" (slugflows). Si elles se produisent, elles imposent de dimensionner l'appareillage pour les conditions de concentration extrêmes. La solution consiste donc à mettre en place un mélangeur. Selon l'invention, ce mélangeur comprend une conduite 252 aux deux extrémités ouvertes, coaxiale avec la chambre de séparation 206 du dispositif de séparation selon l'invention 231 et formée de deux tubes perforés montés bout-à-bout et dont le volume d'au moins l'un d'entre eux est du même ordre de grandeur que celui correspondant au débit passant entre deux fluctuations de concentration en l'une des espèces de plus basse fréquence, par exemple les plus gros bouchons. Ces tubes communiquent l'un avec l'autre et comportent des orifices multiples répartis dans le sens de la longueur. Dans l'exemple représenté sur les figures 2a et 2b, le mélangeur 252 est placé avant l'ensemble de séparation et pompage formé du moteur 218, de la pompe à eau 233, du dispositif de séparation selon l'invention 231 et de la pompe à pétrole 232, le pétrole étant évacué vers la surface dans la tuyauterie 256 communiquant avec le tube central du dispositif selon l'invention, l'eau quittant le tube tournant du dispositif selon l'invention et étant évacuée, via la chambre d'évacuation 215, dans la formation 271 située à une altitude inférieure.These fluctuations can in particular arise from the formation of two-phase flows of the "plug" type. If they occur, they require that the apparatus be dimensioned for extreme concentration conditions. The solution therefore consists in setting up a mixer. According to the invention, this mixer comprises a pipe 252 with two open ends, coaxial with the separation chamber 206 of the separation device according to the invention 231 and formed of two perforated tubes mounted end-to-end and the volume of which at least one of them is of the same order of magnitude as that corresponding to the flow rate passing between two concentration fluctuations in one of the species of lower frequency, for example the largest plugs. These tubes communicate with each other and have multiple orifices distributed lengthwise. In the example shown in FIGS. 2a and 2b, the mixer 252 is placed before the separation and pumping assembly formed by the motor 218, the water pump 233, the separation device according to the invention 231 and the pump with oil 232, the oil being evacuated towards the surface in the piping 256 communicating with the central tube of the device according to the invention, the water leaving the rotating tube of the device according to the invention and being evacuated, via the evacuation chamber 215, in formation 271 located at a lower altitude.
Le fonctionnement du mélangeur est illustré sur la figure 2b dans laquelle on représente un bouchon de fluide 270 qui pénètre dans un premier étage du mélangeur formé d'une conduite 252 allongée dans le sens de la tuyauterie principale 250, percée d'une pluralité d'orifices d'entrée 254 et de sortie 255. Les orifices d'entrée 254 se situent dans ledit premier étage. Des moyens de séparation 251 définissent un second étage dans lequel se trouvent les orifices de sortie 255. Les orifices d'entrée 254 et de sortie 255 sont préférablement répartis équitablement dans le sens de la longueur de cette conduite allongée, de telle sorte que le bouchon de fluide se dirige en partie vers l'intérieur de cette conduite au travers des orifices d'entrée 254 et en partie à l'extérieur de cette conduite dans le jeu annulaire 271 formé entre la conduite 252 et le tube constituant la paroi du puits. Le résultat est que le bouchon 270 a tendance à se mélanger avec le fluide contenu dans la conduite 252, ce qui tend à homogeneiser les concentrations et à créer des globules de plus petites dimensions. Le fluide ainsi prémélangé ressort au travers des orifices 255 qui sont calibrés de telle sorte que l'émulsion produite est formées de globules 273 suffisamment petits pour éviter la formation d'un nouveau bouchon avant l'entrée dans la séparateur 231. Le dimensionnement de ces orifices se fait par exemple par application des équations de Hinze et Kolmogorov relatives aux mélanges turbulents. The operation of the mixer is illustrated in FIG. 2b in which a fluid plug 270 is shown which enters a first stage of the mixer formed by a pipe 252 elongated in the direction of the main piping 250, pierced with a plurality of inlet 254 and outlet 255. The inlet 254 are located in said first stage. Separation means 251 define a second stage in which the outlet orifices 255 are located. The inlet orifices 254 and outlet orifices 255 are preferably distributed equitably along the length of this elongated pipe, so that the plug of fluid is directed partly towards the inside of this pipe through the inlet orifices 254 and partly outside this pipe into the annular clearance 271 formed between the pipe 252 and the tube constituting the wall of the well. The result is that the plug 270 tends to mix with the fluid contained in the pipe 252, which tends to homogenize the concentrations and to create globules of smaller dimensions. The fluid thus premixed emerges through orifices 255 which are calibrated so that the emulsion produced is formed of globules 273 sufficiently small to prevent the formation of a new plug before entering the separator 231. The dimensioning of these orifices is made for example by application of the Hinze and Kolmogorov equations relating to turbulent mixtures.
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