FR3040067A1 - Methode et installation sous-marine de separation gaz/liquide - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une méthode et une installation de séparation gaz/liquide en milieu sous-marin, d'un mélange multiphasique d'hydrocarbures. Ladite méthode étant du type comprenant les étapes suivantes : a) on installe une chambre de séparation (32) selon une direction sensiblement verticale, ladite chambre de séparation (32) présentant une extrémité inférieure (33) et une extrémité supérieure (35) opposée ; b) on extrait dudit fond marin (10) un mélange multiphasique d'hydrocarbures comprenant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide ; et, c) on injecte ledit mélange multiphasique d'hydrocarbures selon une composante tangentielle à l'intérieur de ladite chambre de séparation (32) pour autoriser ladite au moins une phase gazeuse à s'échapper vers ladite extrémité supérieure (35), tandis que ladite au moins une phase liquide s'évacue vers ladite extrémité inférieure (33).

Description

Méthode et installation sous-marine de séparation gaz/liauide

La présente invention se rapporte à une méthode et à une installation sous-marine de séparation gaz/liquide d’un mélange multiphasique d’hydrocarbures et d’eau.

Un domaine d'application envisagé est celui de l'extraction des hydrocarbures situés dans les fonds marins.

Certains types de gisements d'hydrocarbures contiennent à la fois des hydrocarbures liquides et des hydrocarbures gazeux, et lorsqu'ils sont extraits depuis les fonds marins, ils contiennent au surplus de l’eau. Partant, il est nécessaire de séparer les phases gazeuse et liquides de ce mélange de fluides afin de pouvoir exploiter et traiter séparément les différents hydrocarbures.

En outre, ce mélange de fluides, lorsqu’il remonte depuis le fond marin vers la surface, subit une chute de pression préjudiciable. Au surplus, plus la hauteur d’eau est grande, et plus la contre-pression hydrostatique du poids de la colonne de fluide à remonter vers l’installation de surface est importante, et donc, moins la mise en production est aisée. Partant, le potentiel de récupération des hydrocarbures du gisement est limité. Plusieurs artifices permettent de faciliter la mise en production, par exemple, l’injection de gaz ou le pompage multiphasique sous-marin, ou bien encore, la séparation gaz/liquide sous-marine du mélange de fluides.

Ainsi, il a été imaginé de séparer par gravité la phase gazeuse contenant les hydrocarbures gazeux de la phase liquide contenant les hydrocarbures liquides et l’eau, dans le milieu sous-marin avant de la remonter en surface. Ainsi, l'installation comporte d'une part un conduit d’alimentation sous-marin du mélange multiphasique d’hydrocarbures et d’eau, provenant du gisement d’hydrocarbures, et d’autre part, une chambre de séparation longitudinale installée sensiblement verticalement dans le fond marin sur une structure porteuse solidement ancré dans ledit fond marin. Pour ce faire, le sol du fond marin doit être préparé avant d’installer la structure porteuse au moyen d’un bateau de pose spécifique, dédié à ce type de travaux. La chambre de séparation est ensuite installée sur la structure porteuse au moyen de ce même bateau de pose spécifique. La chambre de séparation présente une extrémité inférieure et une extrémité supérieure opposée, et le conduit d'alimentation sous-marin est raccordé à la chambre de séparation entre les deux extrémités inférieure et supérieure. Le diamètre de la chambre de séparation étant largement supérieur à celui des conduits d’alimentation sous-marin et l’architecture interne de la chambre étant complexe, il est impossible de procéder à un nettoyage de ce type d’installation par des dispositifs de raclage conventionnels au moyen d’un « PIG », acronyme de « Pipeline Intervention Gadget » en langue anglaise.

Aussi, le mélange de fluide contient éventuellement des impuretés solides et notamment du sable. La phase gazeuse du mélange multiphasique d'hydrocarbures et d’eau s'échappe alors vers l'extrémité supérieure de la chambre de séparation, tandis que la phase liquide, contenant éventuellement du sable, s’évacue vers l'extrémité inférieure. Aussi, la phase liquide est généralement biphasique puisque c'est un mélange non miscible d’hydrocarbures et d'eau. L'extrémité inférieure de la chambre de séparation est reliée, de préférence, à une conduite de récupération des deux phases liquides par l'intermédiaire d'une pompe usuellement dénommée pompe de relevage ; la conduite de récupération s'étendant alors jusqu'à la surface. Quant à l'extrémité supérieure de la chambre de séparation, elle est reliée à une conduite d'échappement qui s'étend également jusqu'à la surface pour pouvoir récupérer la phase gazeuse du mélange.

La pompe de relevage est asservie au débit du mélange multiphasique d'hydrocarbures et d’eau dans le conduit d'alimentation sous-marin de manière à pouvoir optimiser la séparation des phases gazeuse et liquides, ci-après séparation gaz/liquide, dans la chambre de séparation. Notamment, on vient ajuster le niveau de l'interface entre la phase gazeuse et les phases liquides par rapport au conduit d'injection du mélange à l'intérieur de la chambre de séparation, en contrôlant le débit opératoire de la pompe de relevage. Plusieurs pompes de relevage peuvent être mises en œuvre. Néanmoins, la séparation gaz/liquide n'est pas parfaite et les phases liquides entraînent avec elles une certaine quantité de gaz.

Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de pouvoir améliorer l'efficacité de la séparation gaz/liquide à l'intérieur de la chambre de séparation. L’invention a également pour objectif de fournir une installation facilement installable par des moyens conventionnels et dont le nettoyage par des dispositifs de raclage conventionnels est facilité.

Dans ce but, la présente invention propose, selon un premier objet, une méthode de séparation gaz/liquide en milieu sous-marin, d’un mélange multiphasique d’hydrocarbures, ladite méthode étant du type comprenant les étapes suivantes : a) on installe une chambre de séparation longitudinale au droit d’un fond marin, et on oriente ladite chambre de séparation selon une direction opposée audit fond marin, ladite chambre de séparation présentant une extrémité inférieure et une extrémité supérieure opposée ; b) on extrait dudit fond marin un mélange multiphasique d’hydrocarbures comprenant une phase gazeuse et au moins une phase liquide ; et, c) on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation pour autoriser ladite au moins une phase gazeuse à s’échapper vers ladite extrémité supérieure, tandis que ladite au moins une phase liquide s’évacue vers ladite extrémité inférieure. Et, à l'étape c), on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures selon une composante tangentielle de ladite chambre de séparation, de manière à provoquer la rotation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation.

Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en mouvement du mélange multiphasique d’hydrocarbures, à l'intérieur de la chambre de séparation, de manière à favoriser les échanges gazeux à l'interface entre la phase gazeuse et les phases liquides. En effet, en provoquant la formation d'un vortex à l'intérieur de la chambre de séparation on vient non seulement augmenter les dimensions de l'interface entre la phase gazeuse et les phases liquides, mais au surplus, augmenter la convection à l'intérieur du mélange multiphasique d’hydrocarbure, et par conséquent, la diffusion de la phase gazeuse vers l'interface gaz/liquide. Le mélange multiphasique d’hydrocarbures contient également de l’eau.

Préférentiellement, la chambre de séparation présente une symétrie cylindrique de révolution, de manière à favoriser la rotation du mélange multiphasique d’hydrocarbures et d’eau.

Avantageusement, on récupère ladite au moins une phase gazeuse à ladite extrémité supérieure. Cette année gazeuse peut ensuite être remontée à la surface pour être traitée.

En outre, selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, on aspire ladite au moins une phase liquide à travers ladite extrémité inférieure. Ainsi, grâce à l'aspiration, que l'on peut contrôler, on vient ajuster la position verticale de l'interface gaz/liquide à l'intérieur de la chambre de séparation par rapport à la position relative de l'injection du mélange multiphasique d’hydrocarbures et de la chambre de séparation.

Préférentiellement, on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures selon, en outre, une composante axiale de ladite chambre de séparation. Grâce à cette caractéristique, on favorise plus encore les transferts de la phase gazeuse à travers l'interface gaz/liquide.

Selon encore une autre caractéristique avantageuse, on suspend ladite chambre de séparation dans le milieu sous-marin. On simplifie ainsi son installation, puisque l’on s’affranchit d’une structure porteuse au niveau du fond marin et par là-même, du travail de préparation dudit fond marin pour recevoir ladite structure porteuse ainsi que du temps d’installation de ladite structure porteuse.

Selon un autre aspect, la présente invention propose une installation sous-marine de séparation gaz/liquide d’un mélange multiphasique d’hydrocarbures, ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures comprenant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, ladite installation comprenant, d’une part un conduit d’alimentation sous-marin dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures, et d’autre part, une chambre de séparation longitudinale destinée à être installée sensiblement verticalement, ladite chambre de séparation présentant une extrémité inférieure et une extrémité supérieure opposée, ledit conduit d’alimentation sous-marin débouchant à l’intérieur de ladite chambre de séparation de manière à autoriser ladite au moins une phase gazeuse à s’échapper vers ladite extrémité supérieure de ladite chambre de séparation, tandis que ladite au moins une phase liquide s’évacue vers ladite extrémité inférieure. Ledit conduit d’alimentation sous-marin débouche à l’intérieur de ladite chambre de séparation selon une composante tangentielle de ladite chambre de séparation de manière à provoquer la rotation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation. L'installation ainsi définie permet de mettre en oeuvre la méthode de séparation objet de l'invention et décrite ci-dessus. Elle permet ainsi de favoriser les échanges gazeux à travers l'interface gaz/liquide de la chambre de séparation.

Préférentiellement, l'installation comprend une conduite d’échappement de ladite au moins une phase gazeuse s’étendant dans le prolongement de ladite extrémité supérieure. La conduite d'échappement rejoint par exemple une installation de surface pour pouvoir traiter la phase gazeuse, laquelle renferme généralement plusieurs types d'hydrocarbures.

Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, ladite chambre de séparation et ladite conduite d’échappement forment une seule et même conduite. Ainsi, la chambre de séparation peut être ménagée à l'intérieur d'une conduite montante sous-marine classique, par exemple une conduite flexible ou bien une conduite rigide, permettant généralement de transporter les hydrocarbures entre le fond marin et la surface. Aussi, on simplifie considérablement la mise en oeuvre de l'installation, puisque la conduite d'échappement, définissant la chambre de séparation, peut être installée par l'intermédiaire d'un bateau de pose conventionnelle, et notamment être dévidée au travers du puits central de certains bateaux de pose conventionnels. En outre, et de manière plus générale, les dimensions compactes de la chambre de séparation, intégrée à la conduite d’échappement, permettent de faire passer ladite conduite d’échappement au travers des tensionneurs et des clamps d’un bateau de pose conventionnels et de tout autre dispositif de pose utilisé traditionnellement pour l’installation de conduite rigide ou flexible du type conduit d’alimentation sous-marin, « flowline >> en langue anglaise, ou du type conduite montante sous-marine, « riser >> en langue anglaise. Les coûts d'installation sont par conséquent bien inférieurs à la mise en œuvre d'une installation sous-marine ancrée dans le fond marin, conformément à l'art antérieur.

Selon un mode de réalisation particulier, l'installation comprend une conduite de récupération de ladite au moins une phase liquide s’étendant dans le prolongement de ladite extrémité inférieure. Ainsi, la conduite de récupération, raccordée à l'extrémité inférieure, rejoint par exemple l'installation de surface de manière à pouvoir traiter et stocker le mélange de phases liquides. Préférentiellement, ladite chambre de séparation et ladite conduite de récupération de ladite au moins une phase liquide forment une seule et même conduite. Il est ainsi possible d’installer l’ensemble conduite d’échappement et conduite de récupération, de la même manière qu’une conduite sous-marine conventionnelle, grâce aux moyens usuels d'installation de conduite sous-marine décrits précédemment. Plus avantageusement encore, la conduite d'échappement, la chambre de séparation et la conduite de récupération forment ensemble une seule et même conduite étendue en U jusque dans le fond marin, la chambre de séparation étant ménagée près du fond marin. Un tel agencement diminue considérablement les coûts de mise en œuvre de l'installation sous-marine conforme à l'invention.

Selon un autre mode de réalisation, l'installation comprend en outre une pompe de relevage de ladite au moins une phase liquide raccordée à ladite extrémité inferieure de la chambre de séparation. De la sorte, ladite au moins une phase liquide du mélange multiphasique d’hydrocarbures séparé est aspirée par ladite au moins une pompe de relevage de manière à pouvoir entraîner ladite au moins une phase liquide jusqu’à l’installation de surface. Ladite au moins une phase liquide est entraînée via la conduite de récupération, sans que ladite au moins une phase liquide s’accumule au niveau d’un orifice d’injection de l’élément de distribution. Dans le cas contraire, en s’accumulant au niveau de l’orifice d’injection de l’élément de distribution, ladite au moins une phase liquide risquerait de diminuer le débit du mélange multiphasique d’hydrocarbures projeté par ladite ouverture et donc par la même, risquerait de diminuer le débit du mélange multiphasique d’hydrocarbures s'écoulant dans le conduit d'alimentation sous-marin. Au surplus, la ou les pompes de relevage permettent de mieux réguler la position verticale de l'interface gaz/liquide dans la chambre de séparation.

De plus, et de manière avantageuse, ledit conduit d’alimentation sous-marin débouche à l’intérieur de ladite chambre de séparation selon, en outre, une composante axiale de ladite chambre de séparation. De la sorte, on favorise l’effet de vortex à l’intérieur de la chambre de séparation et partant, les possibilités d’échanges gazeux à l’interface entre phases liquides et phase gazeuse.

De manière préférée, ladite chambre de séparation comprend des organes de déviation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures pour favoriser la séparation gaz/liquide. De tels organes sont par exemple formés d’hélices. D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après d’un mode de réalisation particulier de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 est une vue schématique illustrant l’installation sous-marine conforme à l’invention selon une première configuration ; - la Figure 2 est une vue schématique illustrant l’installation sous-marine conforme à l’invention selon une deuxième configuration ; - la Figure 3 est une vue schématique de premiers éléments de détail de l’installation telle que représentée sur la Figure 1 ; - la Figure 4 est une vue schématique montrant des deuxièmes éléments de détail illustrés sur la Figure 1 et 2, selon une première variante de réalisation ; - la Figure 5 est une vue schématique de détail en coupe transversale selon le plan A-A représenté sur la Figure 4 ; - la Figure 6 est une vue schématique montrant des deuxièmes éléments de détail illustrés sur les Figures 1 et 2, selon une seconde variante de réalisation ; - la Figure 7 est une vue schématique de détail de la Figure 2 ; et, - la Figure 8 est une vue schématique en coupe transversale selon le plan E-E représenté sur la Figure 7.

Des références identiques seront utilisées d'une figure à l'autre pour désigner des éléments identiques ou similaires.

Les Figures 1 et 2 illustrent un milieu marin s'étendant verticalement depuis un fond marin 10 jusqu'à une surface marine 12. A la surface marine 12 flotte une installation de surface 14, tandis que vient s'étendre sur le fond marin 10, sensiblement jusqu’à l'aplomb de ladite installation de surface, un conduit d'alimentation sous-marin 16 relié en amont à un gisement d'hydrocarbures, non représenté, situé dans le sous-sol du fond marin 10.

Le gisement d’hydrocarbures peut être un gisement de pétrole ou un gisement de gaz naturel, ou encore un mélange des deux. L’installation de surface 14 peut notamment être du type FPSO (pour « Floating Production Storage and Offloading » en langue anglaise, soit une unité flottante de production, de stockage et de déchargement), FLNG (pour « Floating Liquefied Natural Gas » en langue anglaise, soit une unité flottante dédié au gaz naturel liquéfié), SPAR (pour « Single Point Anchor Réservoir » en langue anglaise, soit une plateforme réservoir à point d’ancrage unique), Semi-Submersibles, etc. Bien évidemment, dans certaines circonstances, les puits ménagés dans les gisements d’hydrocarbures peuvent être éloignés de l’aplomb de l’installation de surface 14, et partant, le conduit d’alimentation sous-marin 16 également, ou à tout le moins, le conduit d’alimentation sous-marin 16 peut comporter une extrémité rapprochée de l’aplomb de l’installation de surface 14 à partir de laquelle ledit conduit d’alimentation sous-marin s’étend de manière à s’éloigner de l’aplomb jusqu’à rejoindre le gisement d’hydrocarbures.

Le gisement d'hydrocarbures contient un mélange multiphasique d’hydrocarbures comprenant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide carbonée. L’installation de surface 14 peut également être une plate-forme fixe reliée au fond marin 10, ou bien encore une plate-forme située à terre, les gisements d’hydrocarbures se situant en mer à proximité des côtes. Le conduit d’alimentation sous-marin 16 est posé sur le fond marin 10 ou bien est ensouillé, et il peut s’étendre sur plusieurs dizaines de kilomètres.

Aussi, peut s'ajouter à la phase liquide carbonée, une phase aqueuse. Un mélange de phase gazeuse et de phases liquides, ci-après dénommé mélange multiphasique d’hydrocarbures, circule ainsi à l'intérieur du conduit d'alimentation sous-marin 16. Des impuretés telles que, des sédiments et du sable peuvent également être en suspension dans le mélange multiphasique d’hydrocarbures.

En outre, les Figures 1 et 2 illustrent une installation sous-marine 18 de séparation gaz/liquide, destinée précisément à venir séparer la phase gazeuse des phases liquides. L'installation sous-marine 18 présente une conduite d'échappement 20 à laquelle est relié le conduit d'alimentation sous-marin 16. Elle comprend également une conduite de récupération 22.

La conduite d'échappement 20 peut être rigide et par conséquent être réalisée en métal et par exemple en acier. La conduite d'échappement 20 peut se présenter sous la forme d’une conduite à simple paroi ou encore d’une conduite à double parois dite «pipe in pipe » en langue anglaise. La conduite d'échappement 20 peut alors comporter un liner métallique ou en matériau polymère. La conduite d'échappement 20 peut également être flexible. On entend par conduite flexible une conduite constituée d'une pluralité de couches de fils d'armure réalisée en métal, et par exemple en acier, et une ou plusieurs gaines en matériau polymère. Dans tous les cas, la conduite d'échappement 20 peut comporter une isolation et/ou une protection extérieure. La longueur de la conduite d’échappement 20 est essentiellement limitée par la profondeur du fond marin 10. En pratique, la conduite d’échappement 20 présente par exemple un diamètre de 10 pouces, soit 24,5 cm. La conduite d’échappement 20 présente également une longueur supérieure à 500 m et pouvant aller jusqu’à 5000 m, ou plus. L’extrémité supérieure 15 de la conduite d’échappement 20 peut s’étendre ou non au-dessus de la surface marine 12. En particulier, l’extrémité supérieure 15 de la conduite d’échappement 20 peut s’étendre de 1 m à 200 m au-delà de la surface marine 12 de manière à être connectée à l’installation de surface 14. La conduite d’échappement 20 peut être installée selon plusieurs configurations : - une configuration rigide montante en chaînette dite SCR pour Steel Catenary Riser en anglais représentée sur la Figure 2, - une configuration hybride montante en chaînette dite HCR pour Hybrid Catenary Riser en anglais, non représentée, - une configuration hybride montante tendue dite FSHR pour Free Standing Hybrid Riser, représentée sur la Figure 1.

On observera que la conduite de récupération 22 peut également être installée selon les configurations précitées. Aussi, la conduite d’échappement 20 peut être installée selon une configuration hybride montante tendue, tandis que la conduite de récupération 22 est installée selon une configuration hybride montante en chaînette ou bien une configuration rigide montante en chaînette, ou toute autre combinaison de configuration.

Dans une configuration rigide montante en chaînette (SCR), représenté sur la Figure 2, la conduite d’échappement 20 est suspendue par son extrémité supérieure 15. L’extrémité inférieure 17 de la conduite d’échappement 20 repose au niveau du fond marin 10. Dans une configuration rigide montante en chaînette (SCR), la conduite d’échappement 20 est soumise à des mouvements verticaux importants induit par le mouvement de pilonnement de l’installation de surface 14 sous l’effet de la houle lorsque ladite installation de surface est flottante. Ces mouvements verticaux de la conduite d’échappement 20, qui ont en pratique une amplitude de quelques centimètres à plusieurs mètres, induisent des contraintes mécaniques sévères et complexes dans ladite conduite d’échappement, notamment au niveau de la partie incurvée et au niveau de la zone de contact entre ladite conduite d’échappement et le fond marin 10. Ainsi, les caractéristiques mécaniques et la masse de la conduite d’échappement 20 doivent être réparties de la façon la plus homogène possible et le plus uniformément possible le long de ladite conduite d’échappement. La conduite d’échappement 20 étant suspendue à l’installation de surface 14, la masse de ladite conduite d’échappement 20 tend à s’opposer à la flottabilité de ladite installation de surface et à la tracter vers le fond. Dès lors, une configuration rigide montante en chaînette (SCR) sera peu adaptée aux grandes profondeurs supérieures à environ 3000 m. La conduite de récupération 22 peut être reliée en U dans le fond marin 10 à la conduite d'échappement 20. La pompe de relevage 24 peut être agencée directement entre la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22, ou encore être agencée sur un circuit de dérivation.

Dans le cas où la pompe de relevage 24 est directement agencée entre la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22, la pompe de relevage 24 est en pratique d’abord fixée sur le fond marin par l’intermédiaire d’une pile d’ancrage, puis la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22 sont posées l’une après l’autre et reliées à la pompe de relevage par des brides, des connecteurs, des raccords flexibles ou rigides, ou tout autre moyen de raccord conventionnel.

Dans le cas où la pompe de relevage 24 est agencée sur un circuit de dérivation, ce dernier est connecté à la conduite d’échappement 20 et à la conduite de récupération 22 par l’intermédiaire de raccords en T montés sur lesdites conduites d’échappement et de récupération. Une vanne montée entre la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22 permet d’obstruer le chemin direct reliant ladite conduite d’échappement à ladite conduite récupération de manière à forcer le passage du fluide dans le circuit de dérivation. La conduite d'échappement 20 et la conduite de récupération 22 peuvent alors être reliées de manière à former ensemble une seule et même conduite et ainsi être installées d’un seul tenant dans le fond marin, à partir d'un bateau de pose conventionnel. L'ensemble peut, par exemple, être dévidé à travers les tensionneurs des tours de poses conventionnelles, des clamps, d’un puits central ou de tout dispositif de pose d’un bateau de pose conventionnel. La pompe de relevage 24 est en pratique fixée sur le fond marin par l’intermédiaire d’une pile d’ancrage. Partant, la mise en oeuvre de l'installation de séparation selon l'invention peut être réalisée par des moyens usuels et par conséquent à des coûts avantageux. On retrouve sur la Figure 2, la conduite d’échappement 20 et en parallèle la conduite de récupération 22 réunies ensemble en formant un U 26.

Dans une configuration hybride montante tendue (FSHR), telle que représentée sur la Figure 1, la conduite d’échappement 20 est suspendue par son extrémité supérieure 15 par une bouée de tension 19 et est relié à l’installation de surface 14 via une conduite flexible supérieur 21. L’extrémité inférieure 17 de la conduite d’échappement 20 est agencée mobile en rotation sur une fondation 23 fixée sur le fond marin 10 et reliée à l’extrémité du conduit d’alimentation sous-marin 16 via une conduite d’injection 34, flexible ou rigide.

Ainsi, la conduite d’échappement 20, initialement orientée verticalement, est mobile en rotation en son extrémité inférieure 17 et peut donc s’incliner sous l’effet du courant marin. Lorsque la conduite d’échappement 20 s’incline, la bouée de tension 19, en exerçant un effort verticale sur l’extrémité supérieure 15 de ladite conduite d’échappement, tend à ramener ladite conduite d’échappement en position verticale. Ainsi, la conduite d’échappement 20 en s’inclinant légèrement avec les variations de courant marin subit des contraintes nettement inférieures à celles qu’elle subirait si son orientation était fixe. Cette capacité d’inclinaison minimisant les contraintes permet de fournir une conduite d’échappement 20 dont le diamètre extérieur peut varier sur sa longueur, notamment au niveau de la chambre de séparation 32 qui peut comporter un diamètre supérieur à celui du reste de ladite conduite d’échappement 20. Egalement, plus le diamètre interne de la partie supérieure 27 de la conduite d’échappement 20 située au-dessus de la chambre de séparation 32 présente un diamètre réduit, plus la phase gazeuse séparée tend à s’échapper rapidement vers l’installation de surface 14. Ainsi, moins la phase gazeuse séparée séjourne dans la conduite d’échappement 20, moins la phase gazeuse n’a le temps de se refroidir par échange thermique avec le milieu marin, et donc plus le risque de formation d’hydrate diminue. Il doit néanmoins être pris en considération que le diamètre interne de la partie supérieure 27 de la conduite d’échappement 20 ne doit pas être exagérément réduit au point qu’il génère trop de perte de charge par friction et donc une baisse naturelle de température de la phase gazeuse par effet dît de Joule-Thomson. Egalement, lorsque l’on utilise un dispositif de chauffage de la conduite d’échappement 20, tel que décrit plus loin : - les dimensions réduites de ladite conduite d’échappement permettent de fournir un dispositif de chauffage comportant des éléments aux dimensions également réduites, - le volume et la surface à chauffer réduits permettent de limiter les coûts énergétiques.

Cette configuration hybride montante tendue (FSHR) possède également l’avantage de fournir une conduite d’échappement 20 sensiblement verticale et droite contrairement à une configuration rigide montante en chaînette (SCR) dans laquelle la conduite d’échappement 20 est incurvée. Dans une telle configuration hybride montante tendue (FSHR), la ou les phases liquides séparées, retombant après projection par l’orifice d’injection 29 de l’élément de distribution 28, s’écouleront de façon équilibrée sur le pourtour de la paroi interne de la chambre de séparation 32 située en dessous de l’orifice d’injection 29. Cet écoulement équilibré permet d’optimiser plus encore la séparation gaz/liquide. La conduite d’échappement 20 orientée sensiblement verticalement, par exemple moins de 5° d’inclinaison par rapport à la verticale, induit la régularité de l’écoulement des phases liquides, et maximise par la même l’efficacité des organes de déviation internes, que l’on décrira ci-après.

Encore un avantage de cette configuration hybride montante tendue (FSHR) est que le poids est entièrement supporté par la fondation et la bouée, et ne contraint donc pas l’installation de surface 14. Cette configuration hybride montante tendue (FSHR) est donc adaptée quelle que soit la profondeur du fond marin 10.

Dans une configuration hybride montante en chaînette (HCR), non représentée, la conduite d’échappement 20 est suspendue par son extrémité supérieure 15 via une première conduite flexible ou rigide reliée à l’installation de surface 14. L’extrémité inférieure 17 de la conduite d’échappement 20 est reliée à l’extrémité du conduit d’alimentation sous-marin 16 via une seconde conduite flexible. Cette configuration permet de fournir, comme pour une configuration hybride montante tendue (FSHR), une conduite d’échappement 20 sensiblement droite, et possède donc tous les avantages qui en découlent.

Selon la variante de réalisation illustrée sur la Figure 1, la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22 rejoignent sensiblement parallèlement l’installation de surface 14, tandis que la variante de réalisation illustrée sur la Figure 2 montre la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22 qui se rejoignent au sein d’une conduite à double parois, laquelle rejoint l’installation de surface 14.

La Figure 7 illustre plus en détail la conduite d’échappement 20 et la conduite de récupération 22 qui vient s’étendre annulairement autour de la conduite d’échappement 20. Elles constituent ainsi une conduite à double parois, dite « pipe in pipe >> en langue anglaise, et qui rejoint directement l’installation de surface. Comme représenté sur la Figure 8, une ou plusieurs cales de centrage 38, ou entretoises, peuvent s’étendre dans l’espace annulaire de la conduite à double parois de manière à maintenir en position la conduite d’échappement 20 au centre de la conduite de récupération 22. La ou les cales de centrage 38 comportent un ou plusieurs orifices 39 permettant la circulation de la ou des phases liquides le long de l’espace annulaire. Ce mode de mise en oeuvre permet de simplifier l’installation. Il est également envisagé, dans une autre variante de réalisation, que la phase gazeuse emprunte l’annulaire, tandis que la phase liquide s’écoule dans la partie centrale.

En se rapportant à nouveau aux Figures 1 et 2, le conduit d’alimentation sous-marin 16 est relié à un élément de distribution 28 par l’intermédiaire d’un conduit d’injection 34. L’élément de distribution 28, présenté en détail sur les Figures 4 à 6, débouche dans une portion inférieure 30, de la conduite d’échappement 20 via un orifice d’injection 29 ; la portion inférieure 30 formant une chambre de séparation 32. En pratique, le conduit d’alimentation sous-marin 16 et le conduit d’injection 34 sont reliés entre eux par l’intermédiaire d’un FLET, acronyme de «Flow Line End Termination » en langue anglaise. Le conduit d’alimentation sous-marin 16 et le conduit d’injection 34 peuvent être fixés sur le FLET par l’intermédiaire de connecteurs mâle-femelle, au moyen de brides ou bien de soudures. En outre, le débit dans le conduit d’alimentation sous-marin 16 peut par exemple varier entre 1000 m3 /heure et 1500 m3/heure.

La conduite d'échappement 20, telle qu’illustrée sur les Figures 1,2 et 4 à 6, définit donc une chambre de séparation 32. La chambre de séparation 32 peut s’étendre sur une partie ou sur la totalité de la longueur de ladite conduite d’échappement 20. Dès lors que la longueur de la conduite d’échappement 20 est essentiellement limitée par la profondeur du fond marin 10, il est possible de tirer parti de cette dimension disponible pour faire s’étendre la chambre de séparation 32 sur une grande longueur. En effet, la conception de la chambre de séparation 32 est faite de manière à favoriser un ratio longueur sur diamètre particulièrement élevé, par exemple un ratio longueur sur diamètre supérieur à cinquante. En particulier la chambre de séparation 32 peut avoir une longueur d’une centaine de mètres à plusieurs centaines de mètres. De plus, le diamètre maximum de la conduite d’échappement 20, notamment au niveau de la chambre de séparation 32, est dimensionné de manière à permettre l’installation de la conduite d’échappement 20 de façon conventionnelle, c’est-à-dire que ledit diamètre est dimensionné de manière à ce que ladite conduite d’échappement puisse passer au travers des équipements de pose disponibles sur les bateaux de pose conventionnels, en particulier au travers des tours d’installation, des tensionneurs, des puits d’installation, de la même manière que passerait une conduite montante sous-marine classique (« riser >> en langue anglaise).

La chambre de séparation 32 présente ainsi une extrémité inférieure 33 reliée à la pompe de relevage 24 et une extrémité supérieure opposée 35. Les extrémités inférieure 33, et supérieure 35, de la chambre de séparation 32, sont situées de part et d’autre de l’orifice d’injection 29 de l’élément de distribution 28. Une section de conduite peut relier l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32 à la pompe de relevage 24. Cette section de conduite est, soit un raccord de conduite flexible, soit le prolongement de la conduite d’échappement 20, soit le prolongement de la conduite de récupération 22.

On observera que la portion inférieure 30 est de géométrie cylindrique à directrice circulaire, aux défauts près de fabrication. L’élément de distribution 28 permet de relier, conformément au mode de réalisation présenté ici, le conduit d’injection 34 à la portion inférieure 30 de la conduite d’échappement 20 selon une direction sensiblement perpendiculaire.

Selon une caractéristique essentielle de l’invention, et ainsi que l’illustre plus précisément les Figures 4 à 6, l’élément de distribution 28 débouche à l’intérieur de ladite chambre de séparation 32 selon une composante tangentielle de la chambre de séparation 32. Autrement dit, l’injection est réalisée dans une direction écartée de l’axe central de la chambre de séparation 32.

Aussi, selon un exemple de mise en oeuvre de l’invention, la connexion entre la conduite d’injection 34 et la chambre de séparation 32 est réalisée au moyen d’un élément de distribution 28 fait d’une ou plusieurs pièces, moulées ou bien usinées, par exemple en métal. L’élément de distribution 28 présente un corps cylindrique dont le diamètre intérieur est sensiblement égal à celui du diamètre intérieur de la portion inférieure 30 de la conduite d’échappement 20. L’élément de distribution 28 présente également un manchon d’entrée tangentiel 31 débouchant tangentiellement à l’intérieur du corps cylindrique de l’élément de distribution 28. Le manchon d’entrée tangentiel 31 présente préférentiellement un diamètre inférieur à la moitié du diamètre du corps cylindrique de l’élément de distribution 28. Le manchon d’entrée tangentiel 31 peut s’étendre selon une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe du corps cylindrique de l’élément de distribution 28, ou selon un angle pouvant varier entre 0° et 80° par rapport à ladite perpendiculaire à l’axe dudit corps cylindrique. La portion inférieure 30 de la conduite d’échappement 20 est alors sectionnée en deux demi-portions, l’élément de distribution 28 étant agencé entre les deux demi-portions de manière à relier l’intérieur des deux dites demi-portions entre elles et assurer la continuité de la portion inférieure 30 conduite d’échappement 20. Les demi-portions sont fixées sur l’élément de distribution 28 par soudure, par fixation mécanique du type connecteurs, brides ou autres.

Le manchon d’entrée tangentiel 31 s’étend en saillie de l’élément de distribution 28. L’élément de distribution 28 peut comprendre, un revêtement de surface interne (« liner >> en langue anglaise) préférentiellement réalisé en inconel mais pouvant être réalisé en acier inoxydable ou autre. Le revêtement de surface interne est configuré pour résister à la corrosion mais également à l’érosion généré par les particules de sable et les impuretés présente dans le mélange multiphasique d’hydrocarbure. L’élément de distribution 28 peut également comprendre, un liner et une couche d’isolation et le cas échéant, une protection extérieure et des éléments de chauffage et de contrôle.

Aussi, l’élément de distribution 28 peut être préinstallé sur la conduite d'échappement 20 en surface, et être raccordé ensuite au conduit d'alimentation sous-marin 16 au moyen de la conduite d’injection 34. Le conduit d'alimentation sous-marin 16, provenant d'un gisement d'hydrocarbures est installé indépendamment et il est alors raccordé à la conduite d'échappement 20 et plus précisément à sa portion inférieure 30, lorsque les conduites d'échappement et de récupération 20, 22 sont dévidées vers le fond marin. On observera, que dans certaines situations, par exemple lorsque le fond marin est accidenté, la portion en U 26 réunissant la conduite d'échappement 20 et la conduite de récupération 22 peut être maintenue suspendue à l’installation de surface 14 au-dessus du fond marin. S'agissant des avantages techniques résultants de l'installation sous-marines 18 conforme à l'invention, et notamment de la position relative de l’élément de distribution 28 et de la portion inférieure 30 de la conduite d'échappement 20, ils sont de plusieurs ordres. Ainsi que l'illustre les Figure 4 à 6, le mélange multiphasique d’hydrocarbures s'écoule dans le conduit d'injection 34 selon la flèche F vers la portion inférieure 30 et débouche tangentiellement à l'intérieur de la chambre de séparation 32. De la sorte, le mélange multiphasique d’hydrocarbures est entraîné en rotation à l'intérieur de la chambre de séparation 32. Un tel mouvement du mélange multiphasique d’hydrocarbures accroît la séparation gaz/liquide; la phase gazeuse s'échappant verticalement dans le conduit d'échappement 20 pour rejoindre l'installation de surface 14, et les phases liquides étant aspirées par la pompe de relevage 24 puis refoulées à travers la conduite de récupération 22 pour rejoindre l'installation de surface 14 également.

On peut alors distinguer deux zones de séparation ; une zone de séparation primaire 36, et une zone de séparation secondaire 37.

La zone de séparation primaire 36 s’étend de l’orifice d’injection 29 vers l’interface de gaz/liquide. Dans la zone de séparation primaire 36, s’effectuent une première séparation combinant : - une séparation par gravité, les phases liquides plus dense que la phase gazeuse s’écoulant vers le bas sous l’effet de la gravité alors que les phases gazeuses tendent à s’échapper vers le haut en direction de l’extrémité supérieure 35 de la chambre de séparation 32 ; et, - une séparation par force centrifuge, les phases liquides plus dense que la phase gazeuse, étant plaquées contre la paroi interne de la chambre de séparation 32, tandis que la phase gazeuse moins dense va être expulsée de la ou des phases liquides pour se retrouver dans une zone centrale. En outre, en ce plaquant contre la paroi interne de la chambre de séparation 32, le mélange multiphasique d’hydrocarbures prend la forme d’une lame hélicoïdale descendante offrant une grande interface d’échange avec la zone centrale d’échappement de la phase gazeuse. Ainsi, plus cette interface d’échange est grande, plus la phase gazeuse sera susceptible de se séparer des phases liquides. Cette interface d’échange augmente notamment lorsque la distance _d entre l’interface gaz/liquide et l’orifice d’injection 29 augmente.

Au surplus, on prévoit de mettre en oeuvre des organes de déviation des hélices à l'intérieur de la chambre de séparation 32 afin d'améliorer plus encore la séparation phase gazeuse/phases liquides.

Selon un mode particulier de réalisation représenté sur la Figure 6, l’organe de déviation peut être un organe de déviation hélicoïdale 25 se présentant sous la forme d’une lame agencée en hélice à l’intérieur de la zone de séparation primaire 36 de la chambre de séparation 32. En pratique, en retombant, la ou les phases liquides vont s’écouler sur la face supérieure de la lame. Dans le même temps, le reste de la phase gazeuse encore mélangé à la ou aux phases liquides dans le mélange multiphasique d’hydrocarbures premièrement séparé, en se séparant de ladite ou desdites phases liquides, tend à remonter jusqu’à entrer en contact avec la face inférieure de la lame. Ainsi, se créer une lame de phase gazeuse sous la face inférieure de la lame créant un chemin de passage préférentiel pour la remonter de la phase gazeuse séparée vers la l’extrémité supérieur de la chambre de séparation 32 tout en minimisant le risque de réentrainement de ladite phase gazeuse séparée par la ou les phases liquides descendant vers la zone de séparation secondaire 37. L’organe de déviation hélicoïdal 25, est configuré pour : - limiter la hauteur de chute de la ou des phases liquides projetées par l’orifice d’injection 29 et donc de limiter le risque de moussage ; - maximiser la surface libre de la ou des phases liquides s’écoulant le long de la lame agencée en hélice, la séparation gaz/liquide s’opérant au niveau de la dite surface libre, l’efficacité de ladite séparation gaz/liquide augmentant avec les dimensions de ladite surface libre ; - amplifier l’efficacité de la séparation gaz/liquide par centrifugation du mélange multiphasique d’hydrocarbures.

La lame de l’organe de déviation hélicoïdal 25 peut être agencée orthogonalement, ou de manière inclinée, par rapport à la surface interne de la chambre de séparation 32, et préférentiellement inclinée de sorte que la périphérie de la lame soit positionnée en-dessous de la partie intérieure. La lame peut s’étendre sur la moitié de la largeur de la zone de séparation primaire 36 ou sur seulement une partie de cette moitié de largeur. La lame peut s’étendre seulement dans la zone de séparation primaire 36, seulement dans la zone de séparation secondaire 37, ou encore s’étendre dans les deux dites zones de séparation primaire et secondaire. Le pas de l’organe de déviation hélicoïdal 25 peut être continu ou variable et par exemple diminuer au fur et à mesure que l’on se dirige vers l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32. Le pas d’hélice a une dimension configurée pour permettre la formation de la lame de phase gazeuse et donc permettre la remonté de la phase gazeuse séparée à contre-courant de la ou des phases liquides.

Préférentiellement, l’organe de déviation hélicoïdal 25 pourra avoir un pas d’hélice d’au moins 1 m. L’organe de déviation hélicoïdal 25 peut comporter plusieurs lames en hélice agencées en parallèle ou encore comporter plusieurs lames agencées en série et formant ainsi plusieurs tronçons d’hélices.

Selon une variante de réalisation de l’invention, illustrée sur les Figures 4 et 5, où l’on retrouve une portion de la chambre de séparation 32 située dans la zone de séparation secondaire 37, l’organe de déviation peut se présenter sous la forme d’une ou plusieurs rainures hélicoïdales 42 pratiquée dans l’épaisseur de la paroi de la chambre de séparation 32.

De tels organes de déviation permettent d’autoriser le passage d’un dispositif de raclage (« PIG >> pour « Pipeline Intervention Gadget >> en anglais) à l’intérieur de la chambre de séparation 32. Le pas de chaque rainure hélicoïdale 42 peut être continu ou variable et par exemple diminuer au fur et à mesure que l’on se dirige vers l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32. Préférentiellement, les rainures hélicoïdales 42 pourront avoir un pas d’hélice d’au moins 1 m. Les rainures hélicoïdales 42 peuvent s’étendre seulement dans la zone de séparation primaire 36, seulement dans la zone de séparation secondaire 37, ou encore s’étendre dans les deux dites zones de séparation primaire et secondaire.

Il est également possible d'améliorer cette séparation, en inclinant le manchon d’entrée tangentiel 31 de l’élément de distribution 28, selon une composante axiale par rapport à la chambre de séparation 32, et orientée vers la pompe de relevage 24. En pratique l’angle d’inclinaison peut varier de 0° à 80°, et sera préférentiellement de 30°. De la sorte, le mélange multiphasique d’hydrocarbures, en entrant dans la chambre de séparation 32, emprunte un chemin tangentiel, selon un cercle osculateur présentant un rayon de courbure plus grand que s’il était projeté sans composante axiale. Cette courbure moins franche permet de faciliter l’entrainement en rotation du mélange multiphasique d’hydrocarbures et de diminuer les contraintes mécaniques exercées par ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures sur la paroi de la chambre de séparation 32.

La première séparation gaz/liquide peut être partielle. Ainsi, à l’issue de la première séparation gaz/liquide, il est possible qu’une partie de la phase gazeuse soit restée emprisonnée dans la ou les phases liquides. Dès lors, la zone de séparation secondaire 37 peut ne pas contenir uniquement la ou les phases liquides, mais un mélange multiphasique d’hydrocarbures résultant de la première séparation gaz/liquide, ci-après nommé mélange multiphasique d’hydrocarbures premièrement séparé.

La zone de séparation secondaire 37, plus basse que la zone de séparation primaire 36, se situe au niveau de l’interface gaz/liquide.

Une seconde séparation gaz/liquide est alors réalisée dans la zone de séparation secondaire 37, par décantation du mélange multiphasique d’hydrocarbures premièrement séparé. L’évacuation de la phase gazeuse est favorisée par la zone centrale d’échappement formée par le mouvement tangentiel du mélange multiphasique d’hydrocarbures dans la zone de séparation primaire 36. La deuxième séparation gaz/liquide peut être partielle. Ainsi, à l’issus de la deuxième séparation gaz/liquide, il est possible qu’une partie de la phase gazeuse soit restée emprisonnée dans la ou les phases liquides. Dès lors, en sortie de la zone de séparation secondaire, le fluide peut ne pas contenir uniquement la ou les phases liquides, mais un mélange multiphasique d’hydrocarbures résultant de la deuxième séparation gaz/liquide, ci-après nommé mélange multiphasique d’hydrocarbures deuxièmement séparé.

En pratique, la distance entre le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 et l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32 est configurée de manière à permettre un temps de séjour du mélange multiphasique d’hydrocarbures premièrement séparé suffisamment important pour que la coalescence des bulles de phase gazeuse soit optimale. Cette distance entre le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 et l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32 est préférentiellement supérieur à 10 m.

De même, la distance entre l’orifice d’injection 29 et l’extrémité supérieure 35 de la chambre de séparation 32 est configurée de manière à permettre, aux condensats et aux fines gouttelettes de phases liquides qui pourraient être entraînées avec la phase gazeuse séparée, de se déposer sur la paroi interne de la chambre de séparation 32, et retombent par gravité pour être finalement évacuées avec les phases liquides. La qualité de la phase gazeuse produite est donc améliorée. De façon identique, des condensats et de fines gouttelettes de phases liquides peuvent se déposer sur la paroi interne de la partie supérieur 27 de la conduite d’échappement 20 et retomber par gravité.

Le diamètre de la partie supérieure 27 de la conduite d’échappement 20 peut être inférieure au diamètre de la chambre de séparation 32 de manière à ce que la phase gazeuse séparée subisse une accélération. Un organe de déviation supérieur, non représenté, peut être agencé à l’extrémité supérieure 35 de la chambre de séparation 32. L’organe de déviation supérieur est configuré pour imposer à la phase gazeuse séparée un chemin indirect, préférentiellement en chicane. L’organe de déviation supérieur peut, en outre, être configuré de manière à autoriser également la retombée, dans la chambre de séparation 32, des potentielles fines gouttelettes de phases liquides qui auraient été entraînées dans la partie supérieure 27 du conduit d’échappement 20 mais qui se seraient condensées sur les parois dudit conduit d’échappement avant d’atteindre l’installation de surface 14.

Le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41, c’est-à-dire le niveau désiré de l’interface gaz/liquide en fonctionnement nominal se situe entre l’orifice d’injection 29 de l’élément de distribution 28, et un point bas situé entre l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32 et ledit orifice d’injection 29. Dès lors que la longueur de la chambre de séparation 32, peut être importante, comme explicité précédemment, la longueur de la zone de séparation secondaire 37 peut être dimensionnée de manière à aménager une zone tampon entre l’orifice d’injection 29 de l’élément de distribution 28 et le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 dans la chambre de séparation 32 en fonctionnement nominal. La zone tampon est configurée pour stocker les surplus momentanés de phases liquides pendant les régimes d’écoulement par à-coup (ou « slug flow » en langue anglaise). En tout état de cause, la longueur de la chambre de séparation 32 est préférentiellement dimensionnée de manière à ce que, dans les cas d’écoulement par à-coup les plus défavorables, les phases liquides ne puissent sortir de ladite chambre de séparation par son extrémité supérieure 35.

On observera que la position de l'interface entre phase gazeuse et phases liquides, est ajustée au moyen de la pompe de relevage 24, dont on peut faire varier le débit. Des capteurs peuvent ainsi être installés à l'intérieur de la chambre de séparation 32 pour pouvoir contrôler la pompe de relevage 24.

Aussi, grâce à la ou les pompes de relevage 24, il est aisé d'ajuster le niveau de l'interface gaz/liquide réelle 40 illustrée sur les Figures 4 et 6, entre la phase gazeuse et la ou les phases liquides à l'intérieur de la chambre de séparation 32. La position verticale de cette interface gaz/liquide réelle 40 vis-à-vis de l’orifice d’injection 29 est en effet déterminante pour optimiser la séparation gaz/liquide. En outre, des capteurs reliés aux câbles électriques et/ou optiques sont mis en œuvre afin de pouvoir asservir la ou les pompes de relevage 24. Ces capteurs permettent de déterminer, soit le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40, soit la pression au niveau de la ou les pompes de relevage 24, laquelle témoigne de la hauteur de la colonne de phases liquides.

En fonctionnement nominal, l’interface gaz/liquide est positionnée à une distance d prédéterminée de l’orifice d’injection 29 de l’élément de distribution 28. La distance d prédéterminée est préférentiellement dimensionnée de manière à ce que le volume tampon de la zone tampon soit compris entre 5 m3 et 20 m3. En pratique, la distance d prédéterminée est généralement supérieure à 50 m. Le contrôle du débit de la ou les pompes de relevage 24 permet de réguler la position du niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 dans la chambre de séparation 32 pour qu’il coïncide avec le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 désiré.

Un ou plusieurs capteurs, non représentés, agencés à l’intérieur ou l’extérieur de l’installation sous-marine 18, sont configurés pour mesurer en temps réel, ou à intervalle régulier, le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 dans la chambre de séparation 32. Ce ou ces capteurs peuvent, par exemple, être des capteurs de pression, agencés sous le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 et configurés pour déterminer le niveau réel de ladite interface gaz/liquide 40 à partir de la pression mesurée exercée par la colonne de liquides située entre ladite interface gaz/liquide et ledit capteur de pression. Une unité de commande est configurée pour : - augmenter le débit de la ou les pompes de relevage 24 lorsque le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 est au-dessus du niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 désiré, - diminuer le débit de la ou les pompes de relevage 24 lorsque le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 est au-dessous du niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41 désiré.

Un ou plusieurs capteurs de pression sont préférentiellement situés à l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32, et/ou en amont de la ou les pompes de relevage 24. En particulier, les capteurs de pression installés de série avec les pompes de relevage dans les schémas d’installation conventionnels peuvent en particulier être utilisés pour la mesure du niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 en plus de leur utilisation normal de manière à éviter l’installation d’un capteur de pression supplémentaire sur l’installation sous-marine 18. L’utilisation d’un capteur de pression possède l’avantage, par rapport à des capteurs optiques, que son fonctionnement reste inaltéré dans un environnement salissant comme celui des hydrocarbures, contrairement aux capteurs optiques qui sont sujet à l’encrassement et pour lesquels la mesure peut être perturbée en présence d’écoulements turbulents ou de mousse. L’utilisation d’un ou plusieurs capteurs de pression secondaires, agencés dans la partie supérieure de la chambre de séparation 32, préférentiellement au niveau de l’extrémité supérieure 35, peut permettre de compléter la mesure de pression en calculant le différentiel de pression entre ce ou ces capteurs de pression secondaires et le ou les capteurs de pression agencés sous le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41. Plus le différentiel de pression mesuré est grand, plus le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 peut être déterminé précisément. Dès lors, plus la hauteur de la colonne de phases liquides, se situant en amont du capteur de pression agencé sous le niveau nominal de l’interface gaz/liquide 41, est grande plus le différentiel de pression sera grand. Ainsi, la longueur de la chambre de séparation 32 est donc déterminée de manière à permettre, en fonctionnement nominal, d’avoir une hauteur de colonne de phases liquides au moins égale à 10 m.

En particulier, les capteurs de pression installés de série avec la vanne d’arrivée de la conduite d’échappement 20, et agencés au niveau de l’installation de surface 14 dans les schémas d’installation conventionnels, peuvent être utilisés pour la mesure du niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 en plus de leur utilisation normale de manière à éviter l’installation d’un capteur de pression supplémentaire sur l’installation sous-marine 18.

En particulier, l’ajout de capteurs supplémentaires nécessite généralement pour leur fixation, de percer localement les conduites. Or ces perçages tendent à créer des points de fragilité sur les conduites qui induisent des risques sécuritaires majeurs au regard de l’exposition desdites conduites à des pressions de fonctionnement, à des mouvements de torsions et de flexion, ainsi qu’à des vibrations, très importants.

En outre, la hauteur importante de la colonne de phases liquides génère une pression importante au niveau de l’aspiration de la ou des pompes de relevage 24. Cette pression importante induit un phénomène de rétro-condensation des bulles de gaz entraînées avec les phases liquides. On entend par rétro-condensation le fait que le gaz se re-liquéfie sous l’effet de la pression élevée. Ainsi, la fraction volumique apparente de gaz mélangée à l’intérieur de la ou des phases liquides au niveau de l’aspiration de la ou les pompes de relevage 24 est réduite de manière significative. En outre, plus la fraction volumique apparente de gaz diminue plus l’efficacité de la ou les pompes de relevage 24 augmente. En effet, plus de gaz est mélangé avec la ou les phases liquides, plus le mélange multiphasique d’hydrocarbures est compressible, et plus l’efficacité de la ou les pompes de relevage 24 diminue.

Egalement, la colonne de phases liquides tend, sous l’effet de la gravité, à s’écouler au travers de la ou les pompes de relevage 24 et accroît de fait l’efficacité de ladite ou lesdites pompes de relevage. Ainsi, une grande gamme de pompes de relevage sous-marines conventionnelles est sélectionnable.

Aussi, lorsque de la mousse se forme au niveau de la zone de séparation secondaire 37, la distance séparant la partie supérieure de la mousse et la ou les pompes de relevage 24 est telle que si une colonne de mousse de cette taille venait à se former, la mousse se décomposerait en liquide sous son propre poids. Ainsi, il est impossible que de la mousse atteigne la ou les pompes de relevage 24 et soit aspirée par cette dernière, évitant ainsi les risques de désamorçage, d’endommagement voire de destruction de ladite ou lesdites pompes de relevage.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, un capteur de pression amont est installé en amont ou au niveau de l’orifice d’injection 29. Ce capteur de pression amont permet de détecter un potentiel engorgement provisoire de la zone tampon. Dans un tel cas d’engorgement provisoire, le niveau réel de l’interface gaz/liquide 40 se situerait au-dessus de l’orifice d’injection 29. Un tel cas d’engorgement est indésirable et induit la dégradation des performances de la séparation gaz/liquide. Dès lors, lorsque le capteur de pression amont détecte un cas d’engorgement de la zone tampon, l’unité de commande peut : - soit commander l’augmentation du débit de la ou les pompes de relevage 24 en conséquence, - soit, dans certain cas où il y a un risque d’endommagement de l’installation sous-marine 18, commander l’arrêt de dispositifs situés en amont ou en aval de ladite installation sous-marine ainsi que l’arrêt de la ou les pompes de relevage 24.

Afin d'éviter l'accumulation et l'adhérence de condensais solidifiés, par exemple des paraffines, du gel, des glaces, ou des hydrates qui viendraient adhérer aux parois internes de la chambre de séparation 32, il est prévu de mettre en œuvre des éléments chauffants le long de la chambre de séparation 32. Ainsi, le réchauffement de ces condensats solidifiés provoque leur fonte. Les éléments chauffants peuvent alors être alimentés par une alimentation électrique s’étendant le long de la chambre de séparation 32 et commandés et contrôlés, par exemple par l’intermédiaire de fibres optiques étendues également le long de la chambre de séparation 32.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, notamment lorsque les profondeurs d’eau sont importantes et que donc l’environnement de l’installation sous-marine 18 est froid, les conduites d’échappement 20 et de récupération 22 présentent un revêtement externe d’isolation de manière à éviter les transferts thermiques de l’intérieur vers l’extérieur desdites conduites d’échappement 20 et de récupération 22 et donc à limiter la diminution de température de la phase gazeuse et des phases liquides circulant dans lesdites conduites d’échappement et de récupération. Le cas échéant, et de façon identique à la chambre de séparation 32, la conduite d’échappement 20, la conduite de récupération 22 ainsi que tout autre équipement de l’invention, peuvent être équipés, en partie ou en totalité, de moyen de chauffage actif, direct ou indirect. Ce moyen de chauffage actif peut comprendre des câbles électriques chauffants agencés autour de la conduite d’échappement 20, et/ou de la conduite de récupération 22 et/ou de tout autre équipement, et configurés pour chauffer la ou les phases liquides et gazeuse à l’intérieur desdites conduites ou desdits équipements. Selon une variante de réalisation, le moyen de chauffage actif peut comprendre un dispositif d’induction d’un courant dans le corps métallique de la conduite d’échappement 20, et/ou de la conduite de récupération 22 et/ou de tout autre équipement de manière à créer au niveau de ladite conduite ou dudit équipement un dégagement de chaleur par effet joule et ainsi chauffer la ou les phases liquides et gazeuse à l’intérieur desdites conduites ou desdits équipements. Le moyen de chauffage actif peut également comprendre des moyens de mesure de la température des phases liquides et gazeuses. Ces moyens de mesure peuvent, par exemple, se présenter sous la forme de fibres optiques agencées autour de la conduite d’échappement 20, et/ou de la conduite de récupération 22 et/ou de tout autre équipement. Une unité de commande de la température peut alors être configurée pour réguler la température des phases liquides et gazeuse à une valeur désirée. Le maintien des phases liquides et gazeuse à une température désirée permet d’éviter la formation d’hydrates solides, de glace, de cire, ou autres, notamment pendant les phases d’arrêt de production.

Cette possibilité de chauffe peut permettre d’éviter la formation d’hydrates solides ou encore les dépôts de cire notamment en phase d’arrêt de production mais peut également être utilisée de manière continue au cours des opérations normales de production.

Comme représenté sur les Figures 1 à 4, l’installation sous-marine 18 est équipée d’un conduit de dérivation 11 muni d’une vanne d’arrêt 13 et qui relie le conduit d’alimentation sous-marin 16 et la conduite de récupération 22. En phase d’exploitation normale, la vanne d’arrêt 13 est en position de fermeture et s’oppose au passage du mélange multiphasique d’hydrocarbures au travers du conduit de dérivation 11. En revanche, lors des opérations de maintenance et de raclage de la conduite de récupération 22 notamment, ou bien lorsque le mélange multiphasique d’hydrocarbures ne contient plus assez de gaz, on porte la vanne d’arrêt 13 en position d’ouverture de manière à permettre le passage des dispositifs de maintenance et/ou de raclage, et/ou le passage du mélange multiphasique d’hydrocarbure au travers du conduit de dérivation 11 de manière à dériver ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures directement dans la conduite de récupération 22, sans séparation gaz/liquide préalable. De surcroît, une autre vanne non représentée peut être installée au niveau de la jonction entre le conduit d’alimentation sous-marin 16 et la conduite d’injection 34 afin d’éviter les remontées de liquide, ou du dispositif de raclage (« PIG » pour « Pipeline Intervention Gadget » en langue anglaise) à l’intérieur lorsque la vanne d’arrêt est en position d’ouverture.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, non représenté, un ou plusieurs séparateurs en ligne peut être installé au niveau de la conduite de récupération 22, le plus généralement en amont de la ou les pompes de relevage 24, afin de séparer la phase gazeuse résiduelle du mélange multiphasique d’hydrocarbures deuxièmement séparé. Le séparateur en ligne se présente sous la forme d’un corps cylindre agencé dans l’axe de la conduite de récupération 22. Le séparateur en ligne comporte un moyen pour imposer un mouvement rotatif au mélange multiphasique d’hydrocarbures deuxièmement séparé. Par effet centrifuge, la ou les phases liquides plus denses que la phase gazeuse vont se plaquer sur les parois du corps cylindrique, tandis que la phase gazeuse moins dense va être expulsée de la ou des phases liquides pour se retrouver dans une zone centrale dudit corps cylindrique. Le séparateur en ligne comprend alors un conduit d’extraction de la phase gazeuse dont une première partie s’étend coaxialement au corps cylindrique de manière à ce que la phase gazeuse de la zone centrale dudit corps cylindrique pénètre à l’intérieur dudit conduit. Le diamètre du conduit d’extraction, généralement inférieur à la moitié du diamètre du corps cylindrique, est préférentiellement dimensionné de manière à extraire en sus de la phase gazeuse située dans la zone centrale dudit corps cylindrique, une fine couche de phase liquide de manière à s’assurer que la phase liquide sortant du séparateur en ligne est au maximum épuré de la phase gazeuse. Le conduit d’extraction comporte alors une deuxième partie s’étendant orthogonalement à la périphérie du corps cylindrique et traversant ledit corps cylindrique. Les première et deuxième parties du conduit d’extraction sont reliées l’une à l’autre par l’intermédiaire d’un coude. La ou les phases liquides, quant-à-elles s’écoulent autour du conduit d’extractions vers la conduite de récupération 22. La deuxième partie du conduit d’extraction est alors raccordée à la conduite d’échappement 20 pour y réinjecter la phase gazeuse nouvellement séparée, ou encore directement à l’installation de surface 14. Dans ce mode de réalisation particulier comportant un séparateur en ligne, il est possible de minimiser les dimensions de la conduite d’échappement 20, et notamment de la chambre de séparation 32, sans dégrader la séparation gaz/liquide globale. En effet, la minimisation les dimensions de la conduite d’échappement 20 tend à dégrader la première et la deuxième séparation gaz/liquide qui s’effectuent au niveau des zones de séparation primaire 36 et secondaire 37. L’adjonction d’un séparateur en ligne permet par alors une troisième séparation gaz/liquide de compenser la dégradation des première et deuxième séparations gaz/liquide. L’utilisation d’un séparateur en ligne agencé en aval de l’extrémité inférieure 33 de la chambre de séparation 32 est particulièrement avantageuse dans la mesure où la hauteur de la colonne de phases liquides dans la zone de séparation secondaire de ladite chambre de séparation génère : - une pression suffisante au niveau dudit séparateur en ligne pour permettre un écoulement naturel du mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur du séparateur en ligne. - une pression de fonctionnement au niveau dudit séparateur en ligne supérieure à la pression de fonctionnement au niveau de la zone de séparation primaire de la chambre de séparation 32 pour permettre de réinjecter la phase gazeuse provenant de la troisième séparation gaz/liquide à l’intérieur de la conduite d’échappement 20, et ainsi éviter le risque que la phase gazeuse provenant de la première et deuxième séparation gaz/liquide ne s’échappe par le conduit d’extraction et se dirige vers le séparateur en ligne. Dans une telle configuration, la chambre de séparation 32 permet notamment l’absorption des éventuels bouchons de phases liquides pendant les régimes par à-coup et génère en entrée du séparateur en ligne un régime continu dépourvu d’à-coup, le régime par à-coup étant incompatible avec le bon fonctionnement dudit séparateur en ligne.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS

   1. Méthode de séparation gaz/liquide en milieu sous-marin, d’un mélange multiphasique d’hydrocarbures, ladite méthode étant du type comprenant les étapes suivantes : a) on installe une chambre de séparation longitudinale (32) au droit d’un fond marin (10), et on oriente ladite chambre de séparation (32) selon une direction opposée audit fond marin, ladite chambre de séparation (32) présentant une extrémité inférieure (33) et une extrémité supérieure (35) opposée ; b) on extrait dudit fond marin (10) ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures comprenant une phase gazeuse et au moins une phase liquide ; et, c) on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32) pour autoriser ladite au moins une phase gazeuse à s’échapper vers ladite extrémité supérieure (35), tandis que ladite au moins une phase liquide s’évacue vers ladite extrémité inférieure (33) ; caractérisée en ce qu’a l’étape c), on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures selon une composante tangentielle de ladite chambre de séparation (32), de manière à provoquer la rotation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32).
2. 2. Méthode de séparation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’on récupère ladite au moins une phase gazeuse à ladite extrémité supérieure (35).
3. 3. Méthode de séparation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu’on aspire ladite au moins une phase liquide à travers ladite extrémité inférieure (33).
4. 4. Méthode de séparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’on suspend ladite chambre de séparation (32) dans le milieu sous-marin.
5. 5. Méthode de séparation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu’à l’étape c), on injecte ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures selon, en outre, une composante axiale de ladite chambre de séparation (32).
6. 6. Installation sous-marine de séparation gaz/liquide d’un mélange multiphasique d’hydrocarbures, ledit mélange multiphasique d’hydrocarbures comprenant au moins une phase gazeuse et au moins une phase liquide, ladite installation comprenant, d’une part un conduit d’alimentation sous-marin (16) dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures, et d’autre part, une chambre de séparation longitudinale (32) destinée à être installée sensiblement verticalement, ladite chambre de séparation (32) présentant une extrémité inférieure (33) et une extrémité supérieure (35) opposée, ledit conduit d’alimentation sous-marin (16) débouchant à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32) de manière à autoriser ladite au moins une phase gazeuse à s’échapper vers ladite extrémité supérieure (35) de ladite chambre de séparation, tandis que ladite au moins une phase liquide s’évacue vers ladite extrémité inférieure (33) ; caractérisée en ce que ledit conduit d’alimentation sous-marin (16) débouche à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32) selon une composante tangentielle de ladite chambre de séparation de manière à provoquer la rotation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32).
7. 7. Installation sous-marine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle comprend une conduite d’échappement (20) de ladite au moins une phase gazeuse s’étendant dans le prolongement de ladite extrémité supérieure (35).
8. 8. Installation sous-marine selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite chambre de séparation (32) et ladite conduite d’échappement forment une seule et même conduite.
9. 9. Installation sous-marine selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu’elle comprend une conduite de récupération (22) de ladite au moins une phase liquide s’étendant dans le prolongement de ladite extrémité inférieure (33).
10. 10. Installation sous-marine selon la revendication 9, caractérisée en ce que ladite chambre de séparation (32) et ladite conduite de récupération (22) de ladite au moins une phase liquide forment une seule et même conduite.
11. 11. Installation sous-marine selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une pompe de relevage (24) de ladite au moins une phase liquide raccordée à ladite extrémité inferieure (33).
12. 12. Installation sous-marine selon l’une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que ledit conduit d’alimentation sous-marin (16) débouche à l’intérieur de ladite chambre de séparation (32) selon, en outre, une composante axiale de ladite chambre de séparation (32).
13. 13. Installation sous-marine selon l’une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que ladite chambre de séparation (32) comprend des organes de déviation dudit mélange multiphasique d’hydrocarbures pour favoriser la séparation desdites phases gazeuses et liquides.