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WO2007054651A1 - Procede et dispositif de separation de liquide polyphasique - Google Patents

Procede et dispositif de separation de liquide polyphasique Download PDF

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Publication number
WO2007054651A1
WO2007054651A1 PCT/FR2006/051104 FR2006051104W WO2007054651A1 WO 2007054651 A1 WO2007054651 A1 WO 2007054651A1 FR 2006051104 W FR2006051104 W FR 2006051104W WO 2007054651 A1 WO2007054651 A1 WO 2007054651A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
oil
water
gas
cyclone
Prior art date
Application number
PCT/FR2006/051104
Other languages
English (en)
Inventor
Paul Chantrel
Marc Bonnissel
Original Assignee
Saipem S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saipem S.A. filed Critical Saipem S.A.
Priority to US12/084,811 priority Critical patent/US8815100B2/en
Priority to BRPI0618477-4A priority patent/BRPI0618477A2/pt
Priority to EP06831296.6A priority patent/EP1951434B8/fr
Publication of WO2007054651A1 publication Critical patent/WO2007054651A1/fr
Priority to US14/332,611 priority patent/US9797233B2/en

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/34—Arrangements for separating materials produced by the well
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0217—Separation of non-miscible liquids by centrifugal force
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0042—Degasification of liquids modifying the liquid flow
    • B01D19/0052—Degasification of liquids modifying the liquid flow in rotating vessels, vessels containing movable parts or in which centrifugal movement is caused
    • B01D19/0057—Degasification of liquids modifying the liquid flow in rotating vessels, vessels containing movable parts or in which centrifugal movement is caused the centrifugal movement being caused by a vortex, e.g. using a cyclone, or by a tangential inlet
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D21/00—Separation of suspended solid particles from liquids by sedimentation
    • B01D21/26—Separation of sediment aided by centrifugal force or centripetal force
    • B01D21/267—Separation of sediment aided by centrifugal force or centripetal force by using a cyclone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
    • B04C5/04—Tangential inlets
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    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
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    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/103—Bodies or members, e.g. bulkheads, guides, in the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
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    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • B04C5/181—Bulkheads or central bodies in the discharge opening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/24—Multiple arrangement thereof
    • B04C5/28—Multiple arrangement thereof for parallel flow

Definitions

  • the subject of the present invention is a cyclone-type liquid / liquid separator and a method and a system for separating multiphase liquid, in particular oil and water contained in crude oil.
  • the technical sector of the invention is more particularly the field of oil production, and more particularly the field of offshore oil fields at great depth.
  • Oil production in the deep sea is generally carried out from a floating support anchored near oil wells located at the seabed, that is to say at varying depths of 1000 to 2500m, see more.
  • the floating support generally comprises anchoring means to remain in position despite the effects of currents, winds and waves. It also generally comprises oil storage and processing means as well as means of unloading to removal tankers, the latter being present at regular intervals to carry out the removal of the production.
  • the common name of these floating supports is the Anglo-Saxon term “Floating Production Storage Offloading" (meaning “floating medium of storage, production and unloading") which one uses the abbreviated term "FPSO" in the whole of the following description.
  • the wellheads are generally connected to said FPSO by submarine lines of either SCR type, that is to say suspended lines in chain configuration, or hybrid tower type comprising:
  • a connecting pipe generally a flexible connection pipe, between the upper end of said riser and a surface floating support, said flexible connecting pipe taking, if appropriate, of its own weight the form of a curve in plunging chain, that is to say, descending widely below the float and then up to said floating support.
  • the entire production of crude oil is generally brought back on board the FPSO to be treated to separate the oil itself, water, gas, and any sand components.
  • the oil, once separated, is thus stored on board, the gas is washed, then sent to the gas turbines for the production of electricity and the necessary heat on board, then the surplus is reinjected into the tank of the field tanker so as to pressurize said tank.
  • the water, after having been released from the sand in suspension, is finally either released to the sea after extensive extraction of any oil particle, or is also reinjected into the reservoir, a complement of seawater taken in sub-surface , generally in addition, to achieve the required flow of water injection into the tank.
  • the extracted sand which represents only minimal amounts, is finally washed and then discarded at sea.
  • water represents only a small percentage of the crude oil, but after a few years, even a few decades, the produced water can represent 80 to 95% of the production, and the Water separation, treatment and re-injection facilities must be dimensioned accordingly. Thus, it is brought up to the surface very large quantities of water that must be returned to the seabed to reinject them into the oil slick of the tank.
  • the method commonly used on shore-based fixed installations is the use of very large tanks, generally of elongated cylindrical shape, the crude oil entering at one end and traveling along said tank for a duration of about 5 mn during which the various phases naturally separate by gravity to reach the second end where the gas is recovered in the upper part of the tank, water and sand in the lower part, and the oil (oil) in the intermediate part.
  • separators which generally incorporate complementary internal devices, such as horizontal, vertical or oblique screens, the purpose of which is to facilitate the separation of the phases and prevent them from being re-mixed. at a later stage.
  • the cyclone separators use centrifugal force and are often used because of their compactness, but their implementation remains very delicate because of their point of contact. operation which remains fairly precise and therefore does not allow large variations in the water / oil and liquid / solid ratios (here "operating point” means a stable separation of the volumes of phases of different density inside cyclone).
  • operating point means a stable separation of the volumes of phases of different density inside cyclone.
  • the fluid remains there for a very short time, of the order of 0.5 seconds and, therefore, a very sophisticated control and control system must be implemented to adjust the set of servo-valves so that system parameters can be stabilized around the optimum operating point.
  • Patent WO 97/28903, EP 259104 and WO 97/15368 disclose cyclone-type liquid / liquid separators comprising a tangential inlet of the fluid to be separated in a first cylindrical portion, which cylindrical portion is extended by a lower portion.
  • the centrifugal force of the fluid sent to the upper end of the cyclone by a tangential inlet induces the establishment of a first central volume of the light phase (oil) surrounded by a peripheral volume of the phase heavy (water).
  • An object of the present invention is to provide an improved liquid / liquid cyclone type separation device, to stabilize its operation and to avoid disturbances affecting the quality of the separation in case of flow variation and especially of variation of the proportion of water / oil in the crude oil to be treated.
  • an object of the present invention is to provide improved installation devices and water / oil separation processes for treating crude oil, and more particularly at great depth.
  • the present invention provides a liquid / liquid separation cyclone, of two liquid phases of different densities of a fluid, in particular the aqueous and oily phases of a crude oil, comprising:
  • a lower outlet orifice of the higher density liquid phase said separation chamber comprises a same cylindrical body extending at least between said inlet and outlet ports; a plate having the same axis XX 'as said cylindrical body, of diameter less than that of said cylindrical body and positioned above said lower outlet orifice, so that 2 volumes are created under the effect of the fluid to be separated entering by the ) said tangential inlet orifice (s), comprising a central volume of lower density liquid phase, in particular an oily phase, in the form of a substantially cylindrical central column, supported by said plate, and an annular peripheral volume. of the higher density liquid phase surrounding said central column, allowing the lower density liquid phase to be evacuated through said upper axial outlet and the discharge of said higher density liquid phase from said lower outlet .
  • the interface between the two said volumes can move radially on said plate when the relative proportion of the two liquid phases entering the composition of the fluid to be separated varies, without affecting the separation of the two said liquid phases.
  • the plate at the base of the cyclone separation chamber serves to support the two coaxial volumes of oil and water respectively cylindrical and annular (or tubular) and created by the centrifugal force of the fluid entering tangentially at the upper end, and allows a variation of the radial position of the oil / water interface, which interface can indeed move along the diameter of said plate, without affecting the separation of two coaxial volumes of oil and water, when the relative proportion of oil and water contents of the crude oil treated varies.
  • the cyclone according to the invention also has the advantage of allowing a stabilized operation of the separation, while having a relatively small size compared to conventional cyclones.
  • the diameter of said plate is 1/2 to 98/100 of that of said cylindrical body, preferably at least 3/4.
  • said separation chamber consists of the same cylindrical body extending between said inlet orifice and said lower outlet orifice, said lower outlet orifice being a tangential outlet orifice, and said plate is positioned. at the lower end of said cylindrical body just upstream of said lower tangential outlet orifice.
  • the lower portion of said chamber situated between said plate and said lower outlet orifice is of conical shape with the same axis XX 'as said cylindrical body and said lower orifice is an axial outlet orifice extending in the direction axial XX 'of said cylindrical body.
  • This second embodiment has the advantage of increasing the pressure drop of the water arriving in said axial outlet orifice, this to make the pressure of the evacuated water substantially identical to the pressure of the liquid of the outgoing oily phase.
  • said upper axial outlet orifice by adjusting the respective diameter of said upper and lower axial orifices, said lower outlet orifice of the heavy liquid phase having a diameter greater than said upper outlet orifice of the light liquid phase.
  • said cyclone comprises pressure drop means at said lower outlet orifice for reducing the pressure of the aqueous heavy phase at the outlet of said separator, preferably creating a loss of pressure proportional to the acceleration of the fluid, such that a perforated plate or a diaphragm, downstream of said lower outlet of said liquid / liquid separation cyclone.
  • This characteristic makes it possible to self-regulate the stabilization of the operation of a separation plant, comprising a cyclone according to the invention by equalizing the pressures of oil and water leaving the cyclone in the context of a process according to the invention, involving the implementation of this type of installation as explained below.
  • the present invention also provides a plant for separating at least two liquid phases of different densities of a fluid also containing gas, preferably at least oil and water of a crude oil comprising oil, water, sand particles and gas comprising
  • the gas being equipped with a valve adapted to control the pressure of the gas, said valve being preferably controlled in function said liquid / gas separator by a gas supply line optionally from the top of said first chamber up to the upper part of said main enclosure, said oil level supply line in said first enclosure, and
  • said main enclosure further comprising water discharge pipes and the oil separately.
  • the installation according to the invention advantageously comprises means of pressure loss proportional to accelerating the fluid, preferably a perforated plate or a diaphragm, downstream of said lower outlet orifice of said liquid / liquid separation cyclone.
  • said main enclosure comprises respectively:
  • a device for controlling the evacuation of the oil and / or said gas in the same pipe in an oil accumulation zone, a device for controlling the evacuation of the oil and / or said gas in the same pipe, and
  • said device for controlling the evacuation of water separated from said solid particles consists of an automatic valve controlled by a float able to close off the evacuation of the water when the water level drops below a given level and able to authorize the evacuation of water when the level rises above said level,
  • said device for controlling the evacuation of oil and / or of said gas in the same pipe is constituted by a cylindrical collector connected to said oil and / or gas evacuation pipe, said collector comprising a cylindrical wall perforated with different levels on the height of said collector adapted to allow the evacuation of gas by the perforations located above the oil level and the evacuation of oil through the perforations located below the oil level.
  • said two distinct zones of said main enclosure are separated by an internal partition capable of letting the two zones communicate only with said gas.
  • said main enclosure does not comprise an internal partition and said oily phases and aqueous recovered separately at the outlet of said liquid / liquid separators (2) are sent in two said separate zones of said main enclosure (5) separated by simple natural gravity created by the density difference between water and oil.
  • an installation according to the invention comprises a series of said liquid / liquid separators cyclone type mounted in parallel.
  • said liquid / liquid separator or separators are placed inside said main enclosure, the orifices leaving the oily and aqueous phases at the outlet of said liquid / liquid cyclone separator respectively communicating with said distinct zones. accumulation of oil and water in said main enclosure.
  • said main enclosure is installed on the ground or on board a floating support, and is preferably of cylindrical shape with a convex bottom.
  • said main enclosure is of spherical shape and is installed at the bottom of the sea.
  • said main speakers and said liquid / liquid separators cyclone type are symmetrically distributed.
  • the installation according to the invention makes it possible to carry out a process for separating at least oil and water from a crude oil also comprising gas and, if appropriate, sand particles in which the successive stages are carried out. following in which:
  • the at least partial degassing of said crude oil is carried out using a liquid / gas separator preferably cyclone type in at least a first chamber, and
  • step 2) The separation of the water contained in the degassed crude oil obtained in step 1) is carried out in order to obtain an oil phase and a phase aqueous solution containing said solid particles, using at least one said liquid / liquid separator of the cyclone type,
  • a step of stabilizing and regulating the operation of said liquid / liquid separator (s) of step 2) is carried out by sending the gas streams, oily phase and aqueous phase resulting from said separators of steps 1) and 2) in one said main enclosure substantially at the same pressure to obtain a controlled level of oil and water in said main enclosure,
  • said stream of gas being recovered in the upper part of said first chamber and sent under pressure controlled by a valve, in the upper part of said main enclosure, and
  • the levels of the liquid phases of oil and water in the two said distinct zones of said main enclosure are regulated by said device for controlling the evacuation of the oil and / or of said gas in the same pipe, and the device control of the evacuation of water.
  • control of said valve for controlling the pressure of the gas output from said first chamber is based on the oil level in said first chamber which level is preferably maintained substantially constant.
  • FIG. 1 is a front view of a conventional liquid / liquid separation cyclone
  • FIG. 1a is a view from above relating to FIG. .
  • FIGS. 1a, 1b, 1c and 1d are side views of the fluid vein in a conventional cyclone respectively in medium configuration (FIG. 1b), minimum (FIG. 1c), maximum (FIG. maximum with a setback of an oil bubble (Figure 1),
  • FIG. 2 is a torn front view of a liquid / liquid gas separation cyclone according to the invention
  • FIGS. 2a and 2b are respectively views from above and from below with reference to FIG. 2,
  • FIGS. 2c, 2d and 2e are side views of the fluid vein within a cyclone according to the invention respectively in medium (FIG. 2c), minimum (FIG. 2d) and maximum (FIG. 2e) configuration,
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a variant of the cyclone according to the invention having a bottom with a high conicity and an axial orifice for discharging water,
  • FIG. 4 is a side view of a separation installation according to the invention comprising a primary gas / liquid separation, and a set of cyclones according to the invention connected to a spherical main discharge and settling chamber equipped with a partition. vertical cross,
  • FIG. 4a is a detail view relating to FIG. 4, of a device for controlling the evacuation of oil (oil) and gas by withdrawal and mixing of the gas / petroleum phases with a view to their export at great distances;
  • FIG. 4b is a section of said control device relating to FIG. 4a,
  • FIG. 5 is a side view of a separation plant according to the invention similar to that of FIG. 4, in which the water and the oil are separated naturally by difference in density, the main enclosure of discharge and settling being therefore devoid of vertical transverse partition, .
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a separation plant according to the invention, in which all the cyclones are installed inside the main discharge and settling enclosure,
  • FIG. 6a is a view from above of a cyclone having three crude oil intake orifices to be treated, uniformly distributed over the periphery of said cyclone,
  • FIG. 7 is a top view of an installation comprising a set of four devices according to FIG. 6, symmetrically assembled around a main inlet pipe for the oil to be treated,
  • FIG. 1 shows a conventional cyclone 1 for liquid / gas, solid / gas or liquid / liquid separation having a tangential entry la of the fluid to be separated 1.1, a cylindro-conical body Ib, an upper axial exit I c and a lower axial output I d.
  • the fluid 1.1 entering tangentially under the high pressure and high flow begins to swirl in the upper part and the centrifugal force created within the fluid itself creates an acceleration of up to 1000g, which has the effect of tacking the most particles the lighter particles remaining near the center, as shown in Fig. 1b corresponding to an average operating point of the cyclone.
  • the device is continuously monitored by means of real-time controlled valves, not only at the inlet 1a, but also at the outlet ports Ic, I d.
  • the control and control system must be sufficiently fast and precise to reconfigure the state of said control valves, so that the system continues to provide a good separation fluids.
  • the average value of the dimension of the oil cone I g shown in FIG. 1b can be reduced as shown in FIG. 1c when the percentage of water in the crude increases, or if the slave valve relative to the output I d is too closed.
  • This type of cyclone generally has an internal diameter at the cylindrical portion of 50 to 75mm, and a height of about 2m to 2.5m.
  • the conical part allows the fluid traveling down the cyclone, to maintain a high level of acceleration throughout its course, despite the loss of energy created by the various friction against the walls of the cyclone.
  • cyclones have only a relatively low unit rate and are generally installed in parallel within an enclosure. They have been described in a vertical position, but the separating effect being based on the principle of centrifugal force, they can in fact be installed in any position and are often in a horizontal position.
  • FIG. 2 represents a torn-off side view of a cyclone according to the invention consisting of a cylindrical body 2, which has in its upper part at least one tangential admission orifice 2 a to said cylindrical body, as well as a tangential orifice; output 2c located at the bottom of said cylindrical body.
  • a plate 2d preferably circular, of diameter slightly smaller than the inner diameter of said cylindrical body is secured to said cylindrical body, preferably at the bottom of the latter, via an axial support 2e.
  • Figure 2c is shown in section in side view, the fluid vein within the cyclone according to the invention.
  • Crude oil 1 possibly degassed 1.1 between tangentially by the inlet port 2a and swirls at high speed in the upper zone 3 t under the effect of the centrifugal force where the water begins to separate from the oil (oil).
  • the water In the middle part of the cyclone, the water is centrifuged outwards at 3.2 and the oil (oil) collects in the center to form a substantially cylindrical column 3.3 which is discharged through the upper orifice 2b.
  • said oil column abuts against the plate 2d and is represented in average configuration in said FIG. 2c.
  • the treated oil column is shown in FIGS.
  • said column 3.2 due to a high percentage of water in the crude oil, detaches from said plate 2d, whereas in FIG. 2e, corresponding to a small percentage of water in the crude oil, said column increases in diameter, without reaching the edges of said plate 2d, which would have the effect of letting escape through the lower orifice 2c, oil at the same time as the water discharged.
  • the plate 2d associated with a cyclone body whose inside diameter is slightly larger creates a low stop for the oil column, said column can then vary in diameter in considerable proportions, and therefore the proportion oil / water also without the oil being carried along with the water.
  • the cyclone according to the invention has an operating range 5 times, or even 10 times larger, which radically simplifies the control system and controls the valves and reduces it to a minimum, as will be explained further below.
  • FIG. 4 is a sectional view in side view of a first version of an installation according to the invention incorporating a series of cyclones 2 according to the invention connected in parallel and fed by a flow of crude oil 4 entering a first a liquid / gas separation stage consisting, in known manner, of a first pressure-resistant enclosure 4.1 and a conventional cyclone 4.2, the partially degassed oil escaping at the bottom of said first enclosure in a pipe 4.3, for be directed to cyclones 2 installed in parallel.
  • the gas is recovered in the upper part of said first chamber 4.1, then sent via a pipe 4.4 to a main chamber 5 of discharge and settling ensuring stabilization of oil, gas and water streams.
  • This main enclosure 5 consists of a pressure-resistant tank:
  • This main speaker 5 comprises:
  • a device 7 for controlling the evacuation of water via line 5.3 a device 7 for controlling the evacuation of water via line 5.3
  • control device 8 for the evacuation of the gas and the oil via line 5.4.
  • the control device of the water discharge 7 consists of an automatic valve 7.1 controlled by a float 7.2 closing the output when the level drops.
  • the valve 7.1 is represented in the closed position and as soon as the water level rises in the main enclosure 5, the float 7.2 opens the valve 7.1 thus allowing the water to be evacuated by the pressure of the gas .
  • the float 7.2 is positioned at the interface 3.9 water / oil.
  • the device for controlling the evacuation of oil and gas consists of a collector 8 with a perforated cylindrical wall, preferably circular and more preferably of constant section over the height, connected in a sealed manner to the evacuation pipe 5.4 .
  • the body of the collector 8.1 is pierced with a plurality of calibrated holes 8.2, preferably identical over the height, and preferably distributed uniformly over the periphery, as shown in FIG. 4b, when the oil level in the main chamber is below the upper limit of the collector, that is to say below the plane BB, as shown on the left side of the figure, the oil goes to through the orifices 8.2 and is evacuated via the line 5.4.
  • the gas whose pressure increases inside said enclosure, is also evacuated by the same route 5.4, which reconstitutes an oil / gas mixture, which is initially bi-phasic, but can, after a certain course in the installations, or by recompression of the fluid, become monophasic by dissolving the gas in the oil, when the oil level in the main enclosure is below the lowest holes, below the AA plane, the oil is no longer evacuated , and only the gas is discharged through line 5.4, when the oil level in the main chamber is above the plane BB, the gas is no longer evacuated and only the oil is discharged, not only through the side holes 8.2, but also through the upper orifice 8.3 of the collector, as shown on the right side of the figure.
  • the controlled valve 4.6 thus makes it possible to control the quantity of gas withdrawn, all of the surplus being redirected through the main enclosure, at the same time as the oil to the surface, via line 5.4.
  • FIG. 5 shows a second variant of a separation installation according to the invention, in which the water / oil separation is not ensured by the partition 5.6, but by the natural gravitational separation created by the difference in density. between water and oil.
  • the water 1 .4 is located in the lower part 3.4 of the main enclosure where the sand deposits also meet, while the oil 1.3 is in the upper part 3.5, and the gas in the sky of the enclosure.
  • the primary fluid / gas separation unit 4.1 - 4.2, as well as the gas control valve 4.5 have not been shown, but the overall operation of the device remains the same.
  • This second variant has the advantage of creating an additional stage of water / oil separation, because if there are oil particles in the water from the cyclones, these particles will naturally migrate to the oil layer by the water. effect of gravity. Likewise any trace of water in the oil will have the opportunity to migrate down to join the watery area. However, it is necessary that the oil has a density much lower than water so as to ensure a proper separation between water and oil, and therefore a stable interface, and this arrangement works better with light crudes.
  • pressure loss means 2f consisting of diaphragms downstream of the lower outlet opening 2c of the aqueous phase of the liquid / liquid separation cyclone 2 according to FIG. invention.
  • This type of pressure loss means generates a pressure loss proportional to the level of the acceleration, therefore to the square of the flow of the fluid passing through it, which has the effect of self-regulation of the installation when, as explained below, it is sought to reduce the pressure of the aqueous phase at the outlet of said cyclone separator, to stabilize the operation of the installation of seperation.
  • FIG. 3 is shown in section and in side view a cyclone according to the invention, the discharge in the lower part is axial.
  • the lower part of the cyclone 2.2 is then conical with an angle at the top 30 at 60 °, the plate 2d is then no longer supported by the bottom of the cyclone, but at the axial discharge pipe of the axial lower orifice 2c, in an area where the swirling effect is no longer necessary for the cyclonic separation process.
  • the diameter ⁇ 2 of the water discharge pipe at the lower orifice 2c is greater, for example by 50%, than the diameter ⁇ 1 of the oil discharge pipe of the upper axial outlet orifice 2b.
  • the conical shape 2.2 of the bottom of the chamber 2 makes it possible to drive the sand together with the evacuated water.
  • the pressure of the heavy phase (water), extracted near the outer wall of the chamber 2 is greater than the output pressure of the light phase (oil).
  • the difference between these two pressures is directly related to the average acceleration of the cyclone internal fluid and to the radial position of the oil / water interface at the bottom plate as shown in FIG. 2e.
  • a substantially identical reference pressure is imposed for the two upper and lower outlet outlets 2b and 2c of the cyclone, by connecting them to a common discharge vessel constituted by the main chamber 5, and reducing the pressure of the water downstream of said lower orifice 2c so that it is made substantially identical to that of the oil output of the upper axial orifice 2b.
  • the self-regulating installation is made by imposing on the output of the heavy phase (water) a pressure drop proportional to the level of acceleration, therefore to the square of its flow, for example by means of a perforated plate or a diaphragm 2f interposed at each of the lower outlets of each of the cyclones, said means creating identical pressure losses for all the cyclones of the device, or by producing at the foot of a cyclone a chamber portion in which the residual output rotation is maintained, the final output being effected on a radius near the axis, as shown in FIG.
  • the installation according to the invention composed of a set of cyclones according to the invention associated with a main enclosure 5 according to FIGS. 4 to 6 thus has a character of self-regulation.
  • the variations of percentage water / crude oil entering correspond, in the configuration of FIG. 5, to a displacement of the free surface 3.6 of the light liquid phase (oil), between minimum-maximum acceptable limit positions, and in the configuration of FIG. 4, at a difference in level between the water / gas interface 3.7 and the oil / gas interface 3.8.
  • the flow variations only slightly affect the position of the interface 3.6 in the case of Figure 5, and the level difference 3.7-3.8 in the case of Figure 4.
  • the device of the main enclosure previously described in relation to cyclones according to the invention also works with conventional cyclones, but these are generally very long and therefore more difficult to integrate within a main enclosure, and moreover , their stable operating point is quite precise, which makes them unusable when the variations in water / oil or flow ratio are important, because of the risk of entrainment of oil pockets as explained with reference to FIG. whereas the cyclones according to the invention are perfectly suited to such instabilities in variations in flow rate and oil / water proportions in crude oil.
  • the operation of the device according to the invention is therefore self-adaptive, since the cyclones have a wide operating range, which makes them capable of absorbing significant variations in the percentages of water and gas, said variations then being stabilized in the main enclosure 5 where there is a pressure created by the gas from the oil / gas separator located upstream, before being directed to other processing equipment.
  • said wide operating range of cyclones and the main enclosure makes it possible to envisage a single piece of equipment during the entire operating life of an oil field, which operation can last 20-25 years or more, without it is necessary to change the sensitive components, as is the case with the prior art, whereas at the beginning of operation a field produces about 5% of water for 95% of oil, whereas at the end of life it will produce 95-98% water for 5-2% oil.
  • FIG. 6 shows in section and in side view, a separation device according to the invention corresponding to the second variant, in which the cyclone battery 2 is integrated within the main enclosure 5.
  • the fluid paths are identical and as small as possible, so that the pressure drops are almost identical for each of the cyclones.
  • all the cyclones for example 6, 8 or 12 cyclones, are installed inside a diffuser 4.3a connected to the degassed crude oil feed pipe 4.3, said cyclones being assembled so sealed, for example by welding, in 4.3b in the upper part of said cyclone, and 4.3c in the lower part of said cyclone, so that the diffuser 4.3a does not communicate directly with the main enclosure 5, but communicates with the only ones Tangential inlet ducts 2a of cyclones 2.
  • the upper axial orifices 2b of each of the cyclones communicate directly with the upper part of the main enclosure, in the zone where the oil naturally separated from the water simply gravitates.
  • each of the cyclones communicate directly with the lower part of the main enclosure, preferably directly in the water accumulation zone.
  • said enclosure is advantageously made of two half-shells welded respectively on flanges 5a assembled in 5b by bolts, not shown, the seal being provided by an O-ring 5c.
  • FIG. 7 shows, in plan view, the paralleling of four devices according to FIG. 6, the four main enclosures 5 being connected at their diffuser 4.3a to the degassed crude oil supply line. 4.3 by identical secondary lines thus creating an absolute symmetry in terms of the path of the incoming fluid, therefore in terms of loss of charge. Similarly, the discharge orifices, not shown, will have the same symmetry, which will thus allow stable operation of the device according to the invention, regardless of the number of cyclones within the same main enclosure, and whatever the number of identical speakers interconnected in a completely symmetrical manner.
  • Isolation valves 4.6 preferably of the ball-type, are advantageously added, which make it possible to isolate one or two enclosures 5, as a function of the flow of water and the water / oil ratio in the crude oil, which Increases the operating flexibility of the device all the way through the life of the installations, that is to say, 20-30 years or more, without having to modify the whole, whereas the production of crude oil contains over time in general more and more water and less and less oil.
  • These valves, shown in Figure 7 on two adjacent main speakers will preferably be installed on two main speakers face to face, so as to best respect the symmetry of the system.
  • a cyclone according to the invention has a diameter of 50 to 70 mm and a body length of 300 to 400 mm.
  • the crude oil inlet ports 2a are three in number and present, at the connection with the cylindrical body of the cyclone, a rectangular section of 20mm in height and 1mm in width.
  • This cyclone is capable of treating a flow rate of approximately 1 to 1.5 liters / second, and creates a pressure drop of 2 to 3 bars between the inlet orifice 2a and the outlet orifices 2b, 2c.
  • 16 cyclones according to the invention are installed in a spherical enclosure of 1.5m internal diameter constituted by two half-spheres as detailed. in FIG. 5, which represents a total volume of 1.77m3, which corresponds, considering a mean level of filling of the main enclosure by 50%, to an average time of passage of the fluids in said main enclosure, called time of stay, of 48 sec. It is therefore advantageous to consider as a time constant of the control system of the whole 10% of the residence time, ie about 5 seconds, which allows the use of very conventional control means and thus does not require the control means to very high performance required by the devices of the prior art.
  • the tangential velocity at the inlet of the cyclones is 19.2 m / sec, which corresponds, for an internal diameter of the cyclone of 60 mm, to a centrifugal acceleration of 1250 g.
  • the device In the case where the device is installed on the ground, it generally has the necessary space, and it is then interesting to implement the independent configurations of Figures 4 or 5, taking care to respect a symmetry in the circuits.
  • the degassed oil supply pipe 4 consisting of a circular ring ensuring a uniform supply in each of said cyclones.
  • the enclosure may be cylindrical vertical axis, and then has curved bottoms.
  • said enclosure can also be cylindrical vertical axis, with curved bottoms, incorporating an assembly with flanges 5a.
  • the device In the case where the device is installed at the bottom of the sea, and more particularly in ultra-deep sea, that is to say, 2000-300Om, or more, it will be preferred to integrate the cyclones in a main enclosure of spherical shape because in the design of the system, it is necessary to consider that the entire device can be completely filled with gas and connected to the surface, that is to say that the internal pressure is atmospheric pressure.
  • the external pressure that is to say about 10 MPa for 1000m depth, then applying integrally on the main speaker and tending to implode, the use of a spherical shape allows to resist optimally to said bottom pressure.

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Abstract

La présente invention concerne un séparateur liquide / gaz ou liquide / liquide de type cyclone (2), dont les propriétés de séparation sont stabilisées lorsque le débit et les proportions des phases liquides (1.3, 1.4) à séparer varient, grâce à un plateau (2d) situé en partie basse d'une chambre de séparation cylindrique, alimentée à son extrémité supérieure selon un orifice d'admission tangentielle (2a). La présente invention concerne également une installation et un procédé de séparation de l'huile et l'eau contenues dans un pétrole brut, à l'aide d'un cyclone selon l'invention.

Description

Procédé et dispositif de séparation de liquide polyphasique
La présente invention a pour objet un séparateur liquide/liquide de type cyclone ainsi qu'un procédé et une installation de séparation de liquide polyphasique, notamment d'huile et d'eau contenus dans du pétrole brut.
Le secteur technique de l'invention est plus particulièrement le domaine de la production pétrolière, et plus particulièrement le domaine des champs de pétrole en mer par grande profondeur.
La production de pétrole en mer profonde est réalisée en général à partir d'un support flottant ancré à proximité des puits de pétrole situés au niveau du fond de la mer, c'est-à-dire à des profondeurs variables de 1000 à 2500m, voire plus. Le support flottant comporte en général des moyens d'ancrage pour rester en position malgré les effets des courants, des vents et de la houle. Il comporte aussi en général des moyens de stockage et de traitement du pétrole ainsi que des moyens de déchargement vers des pétroliers enleveurs, ces derniers se présentant à intervalle régulier pour effectuer l'enlèvement de la production. L'appellation courante de ces supports flottants est le terme anglo-saxon "Floating Production Storage Offloading" (signifiant "moyen flottant de stockage, de production et de déchargement") dont on utilise le terme abrégé "FPSO" dans l'ensemble de la description suivante.
Les têtes de puits sont en général reliées audit FPSO par des conduites sous-marines soit de type SCR, c'est-à-dire conduites suspendues en configuration de chaînette, soit de type tour hybride comprenant :
- un riser vertical dont l'extrémité inférieure est ancrée au fond de la mer et relié à une dite conduite reposant au fond de la mer, et l'extrémité supérieure est tendue par un flotteur immergé en subsurface auquel elle est reliée, et
- une conduite de liaison, en général une conduite de liaison flexible, entre l'extrémité supérieure dudit riser et un support flottant en surface, ladite conduite de liaison flexible prenant, le cas échéant, de par son propre poids la forme d'une courbe en chaînette plongeante, c'est-à-dire descendant largement en dessous du flotteur pour remonter ensuite jusqu'audit support flottant.
L'intégralité de la production de pétrole brut est ainsi en général remontée à bord du FPSO pour y être traitée en vue de séparer le pétrole proprement dit, de l'eau, du gaz, et d'éventuels composants sablonneux. Le pétrole, une fois séparé, est ainsi stocké à bord, le gaz est lavé, puis envoyé vers les turbines à gaz pour la production de l'électricité et de la chaleur nécessaire à bord, puis le surplus est réinjecté dans le réservoir du champ pétrolier de manière à remettre en pression ledit réservoir. L'eau, après avoir été libérée du sable en suspension, est enfin soit rejetée à la mer après extraction poussée de toute particule d'huile, soit réinjectée elle aussi dans le réservoir, un complément d'eau de mer prélevé en sub-surface, venant en général en complément, pour atteindre le débit nécessaire d'injection d'eau dans le réservoir. Le sable extrait, qui ne représente que des quantités minimes, est finalement lavé puis rejeté en mer.
Au début de l'exploitation d'un champ, l'eau ne représente qu'un pourcentage faible du pétrole brut, mais après quelques années, voire quelques décennies, l'eau produite peut représenter 80 à 95% de la production, et les installations de séparation, de traitement et de réinjection de l'eau doivent être dimensionnées en conséquence. Ainsi, on est amené à remonter en surface des quantités très importantes d'eau que l'on devra renvoyer vers le fond de la mer pour les réinjecter dans la nappe de pétrole du réservoir.
De nombreux systèmes séparateurs ont été développés depuis des décennies pour séparer les liquides, des gaz, et des solides et en particulier le pétrole (huile), de l'eau, du gaz, et des particules de sable.
La méthode couramment employée sur les installations fixes à terre est l'utilisation de réservoirs de très grands volumes, en général de forme cylindrique allongée, le pétrole brut entrant à une extrémité et cheminant le long dudit réservoir pendant une durée de l'ordre de 5 mn durant lesquelles les diverses phases se séparent naturellement par gravité pour atteindre la seconde extrémité où le gaz est récupéré en partie haute du réservoir, l'eau et le sable en partie basse, et le pétrole (huile) en partie intermédiaire. Il existe une très grande variété de séparateurs de ce type qui intègrent en général des dispositifs complémentaires internes, tels des écrans horizontaux, verticaux ou obliques, dont l'objet est de faciliter la séparation des phases et éviter qu'ils ne se re-mélangent à une étape ultérieure.
Contrairement aux séparateurs horizontaux décrits précédemment qui utilisent la force de gravitation pour effectuer ladite séparation, les séparateurs de type cyclone utilisent la force centrifuge et sont souvent utilisés en raison de leur compacité, mais leur mise en œuvre reste très délicate en raison de leur point de fonctionnement qui reste assez précis et n'autorise pas de ce fait de grandes variations dans les rapports eau/huile et liquide/solide (on entend ici par « point de fonctionnement » une séparation stable des volumes de phases de densité différentes à l'intérieur du cyclone) . Dans ce type de séparateur, le fluide y reste un temps très court, de l'ordre de 0.5 secondes et, de ce fait, un système de contrôle et commande très sophistiqué doit être mis en œuvre pour ajuster l'ensemble des servo-valves pour que les paramètres du système puissent être stabilisés autour du point de fonctionnement optimum. Il existe des séparateurs cyclones de type passif, dans lesquels l'énergie de séparation est prélevée directement sur le fluide en créant une perte de charge, en général de quelques bars. D'autres variantes basées sur un apport d'énergie externe, utilisent un moteur, en général électrique entraînant un dispositif, en général de type cloche, pour créer ladite force centrifuge au sein du fluide à séparer, tels les systèmes Dynaclean de NEYRTEC (France)
On connaît les brevets WO 97/28903, EP 259104 et WO 97/15368 qui décrivent des séparateurs liquide/liquide de type cyclone comprenant une entrée tangentielle du fluide à séparer dans une première portion cylindrique, laquelle portion cylindrique est prolongée d'une portion inférieure conique, à faible conicité, du type de ceux décrits ci-après en référence aux figures 1 et I a-I e, débouchant sur un orifice de sortie axiale de la phase lourde (eau), la phase légère (huile) étant évacuée par un orifice de sortie axiale à l'extrémité supérieure de ladite première portion cylindrique.
Comme explicité ci-après, la force centrifuge du fluide envoyé à l'extrémité supérieure du cyclone par une entrée tangentielle, induit l'établissement d'un premier volume central de la phase légère (huile) entouré d'un volume périphérique de la phase lourde (eau) .
Lorsque le débit du fluide entrant varie, et surtout lorsque la proportion respective d'eau et d'huile dans le fluide à traiter varie, il est nécessaire de régler les paramètres de fonctionnement du cyclone, pour éviter qu'il ne se produise des décrochages de poches d'huile entraînées avec l'eau, notamment.
Un but de la présente invention est de fournir un dispositif de séparation liquide/liquide de type cyclone amélioré, permettant de stabiliser son fonctionnement et d'éviter des perturbations affectant la qualité de la séparation en cas de variation de débit et surtout de variation de la proportion eau / huile dans le pétrole brut à traiter.
Plus généralement, un but de la présente invention est de fournir des dispositifs d'installation et procédés de séparation eau / huile améliorés pour traiter le pétrole brut, et plus particulièrement à grande profondeur.
Pour ce faire, la présente invention fournit un cyclone de séparation liquide/liquide, de deux phases liquides de densités différentes d'un fluide notamment les phases aqueuse et huileuse d'un pétrole brut comprenant :
- une chambre de séparation dont la paroi forme une surface de révolution s'étendant entre
. au moins un orifice d'admission tangentielle du fluide à séparer et un orifice de sortie axiale supérieure de la phase liquide de plus basse densité à l'extrémité supérieure de ladite chambre, et
. un orifice de sortie inférieure de la phase liquide de plus haute densité, ladite chambre de séparation comprend un même corps cylindrique s'étendant au moins entre lesdits orifices d'admission et un plateau de même axe XX' que ledit corps cylindrique, de diamètre inférieur à celui dudit corps cylindrique et positionné au dessus dudit orifice de sortie inférieure, de sorte que 2 volumes se créent sous l'effet du fluide à séparer entrant par le(s)dit(s) orifice(s) d'admission tangentielle, comprenant un volume central de phase liquide de plus basse densité, notamment phase huileuse, sous forme d'une colonne centrale sensiblement cylindrique, supportée par ledit plateau, et un volume périphérique annulaire de la phase liquide de plus haute densité entourant ladite colonne centrale, permettant l'évacuation de la phase liquide de plus basse densité par ledit orifice de sortie axiale supérieure et l'évacuation de ladite phase liquide de plus haute densité par ledit orifice de sortie inférieure.
On comprend que les deux dits volumes coaxiaux se créent par centrifugation sous l'effet de la force centrifuge du fluide entrant tangentiellement par lesdits orifices d'admission.
Avantageusement, l'interface entre les 2 dits volumes peut se déplacer radialement sur ledit plateau lorsque la proportion relative des deux phases liquides entrant dans la composition du fluide à séparer varie, sans affecter la séparation des deux dites phases liquides.
Comme explicité plus avant dans la description qui suivra, le plateau à la base de la chambre de séparation du cyclone selon l'invention, sert de support aux deux volumes coaxiaux d'huile et d'eau respectivement cylindriques et annulaires (ou tubulaires) ainsi créés par la force centrifuge du fluide entrant tangentiellement à l'extrémité supérieure, et autorise une variation de la position radiale de l'interface huile / eau, laquelle interface peut en effet se déplacer le long du diamètre dudit plateau, sans affecter la séparation des deux volumes coaxiaux d'huile et d'eau, lorsque la proportion relative des teneurs en huile et eau du pétrole brut traité varie.
Le cyclone selon l'invention présente en outre l'avantage de permettre un fonctionnement stabilisé de la séparation, tout en présentant une taille relativement réduite par rapport aux cyclones conventionnels. Dans un mode de réalisation particulier, le diamètre dudit plateau est de 1 /2 à 98/ 100 de celui dudit corps cylindrique, de préférence au moins 3/4.
Dans une première variante, ladite chambre de séparation est constituée d'un même corps cylindrique s'étendant entre ledit orifice d'admission et ledit orifice de sortie inférieure, ledit orifice de sortie inférieure étant un orifice de sortie tangentielle, et ledit plateau est positionné à l'extrémité inférieure dudit corps cylindrique juste en amont dudit orifice inférieur de sortie tangentielle.
Dans une seconde variante, la portion inférieure de ladite chambre située entre ledit plateau et ledit orifice inférieur de sortie est de forme conique de même axe XX' que ledit corps cylindrique et ledit orifice inférieur est un orifice de sortie axiale s'étendant dans la direction axiale XX' dudit corps cylindrique.
Cette seconde variante de réalisation présente l'avantage d'augmenter la perte de charge de l'eau arrivant dans ledit orifice de sortie axiale, ceci pour rendre la pression de l'eau évacuée sensiblement identique à la pression du liquide de la phase huileuse sortant dudit orifice supérieur de sortie axiale, en réglant le diamètre respectif des dits orifices supérieur et inférieur axiaux, ledit orifice inférieur de sortie de la phase liquide lourde ayant un diamètre supérieur au dit orifice supérieur de sortie de la phase liquide légère.
Cet équilibre des pressions de sortie des phases huileuse et aqueuse, permet de stabiliser le fonctionnement d'une installation et d'un procédé de séparation, comme il sera explicité ci-après.
De préférence, ledit cyclone comprend des moyens de perte de charge au niveau dudit orifice de sortie inférieur pour réduire la pression de la phase lourde aqueuse en sortie dudit séparateur, de préférence créant une perte de charge proportionnelle à l'accélération du fluide, tels qu'une plaque perforée ou un diaphragme, en aval dudit orifice de sortie inférieur dudit cyclone de séparation liquide/liquide. Cette caractéristique permet d'autoréguler la stabilisation du fonctionnement d'une installation de séparation, comprenant un cyclone selon l'invention par égalisation des pressions d'huile et d'eau sortant du cyclone dans le cadre d'un procédé selon l'invention, impliquant la mise en œuvre de ce type d'installation comme explicité ci-après.
La présente invention fournit également une installation de séparation d'au moins deux phases liquides de densités différentes d'un fluide contenant aussi du gaz, de préférence au moins l'huile et l'eau d'un pétrole brut comprenant de l'huile, de l'eau, des particules de sable et du gaz comprenant
a) au moins un séparateur liquide/gaz de préférence du type cyclone dans au moins une première enceinte, et
b) au moins un séparateur liquide/liquide du type cyclone selon l'invention, relié au dit séparateur liquide/gaz par une première conduite d'amenée de pétrole dégazé, et
c) au moins une enceinte principale, ladite enceinte principale étant reliée
- au du gaz étant équipée d'une vanne apte à contrôler la pression du gaz, ladite vanne étant commandée de préférence en fonction dit séparateur liquide /gaz par une conduite d'amenée de gaz le cas échéant depuis la partie haute de ladite première enceinte jusqu'à la partie haute de ladite enceinte principale, ladite conduite d'amenée du niveau de pétrole dans ladite première enceinte, et
- au dit séparateur liquide/liquide de type cyclone par deux conduites s'étendant depuis les orifices supérieur et inférieur de sortie des phases huileuse et aqueuse respectivement jusqu'à déboucher dans deux zones distinctes de ladite enceinte principale,
- ladite enceinte principale comprenant en outre des conduites d'évacuation de l'eau et l'huile séparément.
Comme mentionné ci-dessus, l'installation selon l'invention comprend avantageusement des moyens de perte de charge proportionnelle à l'accélération du fluide, de préférence une plaque perforée ou un diaphragme, en aval dudit orifice de sortie inférieur dudit cyclone de séparation liquide/liquide.
Plus particulièrement, dans une installation selon la présente invention, ladite enceinte principale comprend respectivement :
. dans une zone d'accumulation de l'huile, un dispositif de contrôle de l'évacuation de l'huile et/ou dudit gaz dans une même conduite, et
. dans une zone d'accumulation de l'eau, un dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau séparée des dites particules solides dans une conduite distincte en partie basse de ladite enceinte principale, et un orifice d'évacuation des dites particules solides au fond de ladite enceinte principale.
Selon des caractéristiques plus particulières et avantageuses :
- ledit dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau séparée des dites particules solides est constitué d'une vanne automatique commandée par un flotteur apte à obturer l'évacuation de l'eau lorsque le niveau de l'eau descend en dessous d'un niveau donné et apte à autoriser l'évacuation de l'eau lorsque le niveau monte au dessus dudit niveau,
- ledit dispositif de contrôle de l'évacuation du pétrole et/ou dudit gaz dans une même conduite est constitué par un collecteur cylindrique relié à ladite conduite d'évacuation du pétrole et/ou du gaz, ledit collecteur comprenant une paroi cylindrique perforée à différents niveaux sur la hauteur dudit collecteur apte à permettre l'évacuation du gaz par les perforations situées au dessus du niveau du pétrole et l'évacuation du pétrole par les perforations situées au dessous du niveau du pétrole.
Dans un premier mode de réalisation particulier, lesdites deux zones distinctes de ladite enceinte principale sont séparées par une cloison interne apte à ne laisser communiquer entre les deux zones que ledit gaz.
Dans un autre mode de réalisation particulier, ladite enceinte principale ne comprend pas de cloison interne et lesdites phases huileuse et aqueuse récupérées séparément en sortie des dits séparateurs liquide/liquide (2) sont envoyées dans deux dites zones distinctes de ladite enceinte principale (5) séparées par simple gravité naturelle créée par la différence de densité entre eau et huile.
Avantageusement, une installation selon l'invention comprend une série de dits séparateurs liquide/liquide du type cyclone montés en parallèle.
De préférence encore, le ou lesdits séparateurs liquide/liquide sont placés à l'intérieur de ladite enceinte principale, les orifices de sortie des phases huileuse et aqueuse en sortie du ou des dits séparateurs liquide/liquide de type cyclone communiquant respectivement avec lesdites zones distinctes d'accumulation du pétrole et de l'eau dans ladite enceinte principale.
Dans un mode de réalisation particulier, ladite enceinte principale est installée à terre ou à bord d'un support flottant, et est de préférence de forme cylindrique à fond bombé.
Dans un autre mode de réalisation, ladite enceinte principale est de forme sphérique et est installée au fond de la mer.
De préférence, lesdites enceintes principales et lesdits séparateurs liquide/liquide du type cyclone sont répartis symétriquement.
L'installation selon l'invention permet de réaliser un procédé de séparation d'au moins l'huile et l'eau d'un pétrole brut comprenant aussi du gaz et le cas échéant, des particules de sable selon lequel on réalise les étapes successives suivantes dans lesquelles :
1) On réalise le dégazage au moins partiel dudit pétrole brut à l'aide d'un dit séparateur liquide/gaz de préférence du type cyclone dans au moins une première enceinte, et
2) On réalise la séparation de l'eau contenue dans ledit pétrole brut dégazé obtenu à l'étape 1), pour obtenir une phase d'huile et une phase aqueuse contenant lesdites particules solides, à l'aide d'au moins un dit séparateur liquide/liquide du type cyclone,
3) On réalise une étape de stabilisation et régulation du fonctionnement du ou des dits séparateurs liquide/liquide de l'étape 2) en envoyant les flux de gaz, phase huileuse et phase aqueuse issus des dits séparateurs des étapes 1) et 2) dans une même dite enceinte principale sensiblement à la même pression pour obtenir un niveau contrôlé d'huile et d'eau dans ladite enceinte principale,
- ledit flux de gaz étant récupéré en partie haute de ladite première enceinte et envoyé sous pression contrôlée par une vanne, en partie haute de ladite enceinte principale, et
- la pression de ladite phase aqueuse récupérée en sortie dudit séparateur liquide/liquide étant réduite par des dits moyens de perte de charge pour obtenir une pression sensiblement identique à celle de ladite phase huileuse en sortie dudit séparateur liquide/liquide de type cyclone de l'étape 2) .
Plus particulièrement, les niveaux des phases liquides d'huile et eau dans les deux dites zones distinctes de ladite enceinte principale sont régulés par lesdits dispositif de contrôle de l'évacuation de l'huile et/ou dudit gaz dans une même conduite, et dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau.
Plus particulièrement encore, la commande de ladite vanne pour contrôler la pression du gaz en sortie de ladite première enceinte, se fait en fonction du niveau de pétrole dans ladite première enceinte lequel niveau est maintenu de préférence sensiblement constant.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée des modes de réalisation qui va suivre, en référence aux figures 1 à 7 :
. la figure 1 est une vue de face d'un cyclone conventionnel de séparation liquide / liquide,
. la figure l a est une vue de dessus relative à la figure 1 , . les figures l a, Ib, I c et I d sont des vues de côté de la veine fluide au sein d'un cyclone conventionnel respectivement en configuration moyenne (figure Ib) , minimum (figure I c) , maximum (figure I d) et maximum avec décrochement d'une bulle de pétrole (figure l e) ,
. la figure 2 est une vue de face en arraché d'un cyclone de séparation gaz liquide / liquide selon l'invention,
. les figures 2a et 2b sont des vues respectivement de dessus et de dessous relatives à la figure 2,
. les figures 2c, 2d et 2e sont des vues de côté de la veine fluide au sein d'un cyclone selon l'invention respectivement en configuration moyenne (figure 2c), minimum (figure 2d) et maximum (figure 2e) ,
. la figure 3 est une coupe en vue de côté d'une variante du cyclone selon l'invention présentant un fond à forte conicité et un orifice axial d'évacuation de l'eau,
. la figure 4 est une vue de côté d'une installation de séparation selon l'invention comprenant une séparation primaire gaz / liquide, et un ensemble de cyclones selon l'invention relié à une enceinte principale sphérique de rejet et décantation équipé d'une cloison transversale verticale,
. la figure 4a est une vue de détail relatif à la figure 4, d'un dispositif de contrôle de l'évacuation du pétrole (huile) et gaz par soutirage et de mélange des phases gaz / pétrole en vue de leur exportation à grande distance,
. la figure 4b est une section dudit dispositif de contrôle relatif à la figure 4a,
. la figure 5 est une vue de côté d'une installation de séparation selon l'invention similaire à celle de la figure 4, dans laquelle l'eau et le pétrole sont séparés naturellement par différence de densité, l'enceinte principale de rejet et décantation étant de ce fait dépourvue de cloison transversale verticale, . la figure 6 est une coupe en vue de côté d'une installation de séparation selon l'invention, dans laquelle l'ensemble des cyclones est installé à l'intérieur de l'enceinte principale de rejet et décantation,
. la figure 6a est une vue de dessus d'un cyclone présentant trois orifices d'admission du pétrole brut à traiter, uniformément répartis sur la périphérie dudit cyclone,
. la figure 7 est une vue de dessus d'une installation comprenant un ensemble de quatre dispositifs selon la figure 6, assemblés de manière symétrique autour d'une canalisation principale d'entrée du pétrole à traiter,
Dans la figure 1 on a représenté un cyclone conventionnel 1 de séparation liquide / gaz, solide / gaz ou liquide / liquide présentant une entrée tangentielle l a du fluide à séparer 1.1 , un corps cylindro-conique Ib, une sortie axiale supérieure I c et une sortie axiale inférieure I d. Le fluide 1.1 entrant tangentiellement en l a sous forte pression et fort débit se met à tourbillonner dans la partie supérieure l e et la force centrifuge créée au sein même du fluide crée une accélération pouvant atteindre 1000g, ce qui a pour effet de plaquer les particules les plus lourdes près de la surface cylindro- conique de la paroi, les particules les plus légères restant près du centre, comme représenté sur la figure Ib correspondant à un point de fonctionnement moyen du cyclone. Dans le cas d'une séparation pétrole / eau, on distingue ainsi sur cette même figure Ib, une zone supérieure fortement tourbillonnaire l e dans laquelle eau et pétrole commencent à se séparer dans la partie supérieure cylindrique, puis en allant vers le bas, dans la partie conique du cyclone, l'eau se trouve dans la zone périphérique I f et les particules de pétrole coalescent entre elles et de par leur plus faible densité, se dirigent vers l'axe du cyclone et s'agrègent dans un cône central I g constitué quasi intégralement de pétrole brut débarrassé de son eau. De par le gradient de pression existant au sein du cyclone entre la paroi et l'axe dudit cyclone, et de par la forme conique de la paroi évasée vers le haut, l'eau 1.4 (phase lourde) s'évacue naturellement vers le bas et le pétrole 1.3 (phase légère) vers l'orifice supérieur. Le dispositif est contrôlé de manière continue au moyen de vannes asservies pilotées en temps réel, non seulement au niveau de l'entrée l a, mais aussi au niveau des orifices de sortie I c, I d. En cas de variations brutales des paramètres de la veine fluide entrante (variations de débit, variation du rapport eau / huile, ...) le système de contrôle et commande doit être suffisamment rapide et précis pour reconfigurer l'état des dites vannes de contrôle commande, pour que le système continue à fournir une bonne séparation des fluides. Ainsi, la valeur moyenne de la dimension du cône d'huile I g représenté sur la figure I b peut se réduire comme représenté sur la figure I c lorsque le pourcentage d'eau dans le brut augmente, ou si la vanne asservie relative à la sortie I d est trop fermée. Il peut aussi s'allonger vers le bas comme représenté figure I d si ledit pourcentage d'eau diminue, ou si la vanne asservie relative à la sortie I d est trop ouverte. Dans des cas extrêmes représentés figure l e, correspondant en général à des phases transitoires de courte durée, ou à une incapacité du système à s'auto-stabiliser, des poches d'huile I h peuvent se décrocher du cône d'huile Ig à sa base et être entraînées dans le flux d'eau sortant par l'orifice I d, perturbant ainsi radicalement la qualité de la séparation.
Ce type de cyclone présente en général un diamètre interne au niveau de la partie cylindrique de 50 à 75mm, et une hauteur d'environ 2m à 2.5m. La partie conique permet au fluide parcourant le cyclone vers le bas, de conserver un fort niveau d'accélération tout le long de son parcours, malgré la perte d'énergie créée par les divers frottements contre les parois du cyclone.
Ces cyclones n'ont qu'un débit unitaire assez faible et sont en général installés en parallèles au sein d'une enceinte. Ils ont été décrits en position verticale, mais l'effet séparateur étant basé sur le principe de la force centrifuge, ils peuvent en fait être installés en n'importe quelle position et sont souvent en position horizontale.
La figure 2 représente en vue de côté en arraché, un cyclone selon l'invention constitué d'un corps cylindrique 2, qui présente dans sa partie supérieure au moins un orifice d'admission tangentiel 2a audit corps cylindrique, ainsi qu'un orifice tangentiel de sortie 2c situé en partie basse dudit corps cylindrique. Un plateau 2d, de préférence circulaire, de diamètre légèrement inférieur au diamètre intérieur dudit corps cylindrique est solidarisé audit corps cylindrique, de préférence au niveau du fond de ce dernier, par l'intermédiaire d'un support axial 2e. Sur la figure 2c on a représenté en coupe en vue de côté, la veine fluide au sein du cyclone selon l'invention. Le pétrole brut 1 éventuellement dégazé 1.1 entre tangentiellement par l'orifice d'entrée 2a et tourbillonne à grande vitesse dans la zone supérieure 3t sous l'effet de la force centrifuge où l'eau commence à se séparer du pétrole (huile) . Dans la partie médiane du cyclone, l'eau est centrifugée vers l'extérieur en 3.2 et le pétrole (huile) se rassemble au centre pour former une colonne 3.3 sensiblement cylindrique qui est évacuée par l'orifice supérieur 2b. En partie basse, ladite colonne de pétrole vient buter contre le plateau 2d et est représentée en configuration moyenne sur ladite figure 2c. Pour la clarté des explications, la colonne de pétrole traitée est présentée sur les figures 2c-2e selon une forme sensiblement cylindrique d'axe ZZ avec une génératrice sinueuse sur la hauteur, alors qu'en réalité, les effets de la force centrifuge considérable s'exerçant sur l'interface eau / huile rendent cet interface quasiment cylindrique et à génératrice quasi rectiligne, dès lors que le débit entrant est distribué de manière symétrique sur au moins deux entrées 2a positionnées de manière symétrique par rapport à l'axe dudit cyclone.
Sur la figure 2d ladite colonne 3.2, en raison d'un fort pourcentage d'eau dans le pétrole brut, se détache dudit plateau 2d, alors que sur la figure 2e, correspondant à un faible pourcentage d'eau dans le pétrole brut, ladite colonne augmente de diamètre, sans pour autant atteindre les bords dudit plateau 2d, ce qui aurait pour effet de laisser s'échapper par l'orifice inférieur 2c, du pétrole en même temps que l'eau évacuée. Ainsi, le plateau 2d associé à un corps de cyclone dont le diamètre intérieur est légèrement plus grand, crée une butée basse pour la colonne de pétrole, ladite colonne pouvant alors varier de diamètre dans des proportions considérables, et donc la proportion huile / eau aussi, sans que le pétrole soit entraîné en même temps que l'eau. Ainsi, contrairement à l'art antérieur qui nécessite un flux entrant de pétrole brut présentant une composition %eau / %huile dans une fourchette étroite, de manière à ce que le système de contrôle et commande agissant sur les vannes pilotées puisse maintenir l'ensemble dans un état stable, le cyclone selon l'invention présente une plage de fonctionnement 5 fois, voire 10 fois plus étendue, ce qui simplifie radicalement le système de contrôle et commande des vannes et le réduit même au minimum, comme il sera expliqué plus avant ci-après. Sur la figure 4 on a représenté en coupe en vue de côté une première version d'une installation selon l'invention intégrant une série de cyclones 2 selon l'invention montés en parallèle et alimentés par un flux de pétrole brut 4 entrant dans un premier étage de séparation liquide / gaz constitué, de manière connue, d'une première enceinte résistant à la pression 4.1 et d'un cyclone conventionnel 4.2, le pétrole partiellement dégazé s'échappant en partie basse de ladite première enceinte dans une conduite 4.3, pour être dirigé vers les cyclones 2 installés en parallèle. Le gaz est récupéré en partie haute de ladite première enceinte 4.1 , puis envoyée par une conduite 4.4 vers une enceinte principale 5 de rejet et décantation assurant une stabilisation des flux de pétrole, gaz et eau.
Cette enceinte principale 5 est constituée d'un réservoir résistant à la pression :
• L'enceinte principale 5 est alimentée :
- par le haut, en pétrole partiellement dégazé, par une conduite 5.1 en provenance des orifices supérieurs de sortie axiale 2b de l'ensemble des cyclones 2 montés en parallèle,
- par le bas en eau en provenance des orifices inférieurs tangentiels 2c de l'ensemble des cyclones 2 montés en parallèle,
- en gaz par la conduite 4.4 en provenance de l'étage de séparation primaire fluide / gaz 4.1 -4.2, la pression dudit gaz étant contrôlée en temps réel par la vanne asservie 4.5, en maintenant un niveau sensiblement constant du pétrole dégazé au sein de la première enceinte 4.1 , et
• Cette enceinte principale 5 comporte :
- une conduite de sortie de l'eau 5.3 située en partie basse,
- une conduite de sortie 5.4 commune à l'huile et au gaz,
- un orifice d'évacuation du sable 5.5 s'accumulant au fond de ladite enceinte principale 5 dans la zone d'accumulation 3.4 de l'eau 1.4,
- une cloison interne 5.6 confinant de manière étanche le pétrole sur la droite 3.5 et l'eau sur la gauche 3.4, mais ouverte en partie supérieure pour laisser passer le gaz entre la cloison et la paroi de l'enceinte principale 5,
- un dispositif de contrôle 7 de l'évacuation de l'eau par la conduite 5.3,
- un dispositif de contrôle 8 de l'évacuation du gaz et du pétrole par la conduite 5.4.
Le dispositif de contrôle de l'évacuation d'eau 7 est constitué d'une vanne automatique 7.1 commandée par un flotteur 7.2 obturant la sortie lorsque le niveau baisse. Sur la figure 4, la vanne 7.1 est représentée en position fermée et dès que le niveau d'eau monte dans l'enceinte principale 5, le flotteur 7.2 ouvre la vanne 7.1 autorisant ainsi l'évacuation de l'eau par la pression du gaz. Sur les figures 5 et 6, le flotteur 7.2 est positionné à l'interface 3.9 eau / huile.
Le dispositif de contrôle de l'évacuation du pétrole et du gaz est constitué d'un collecteur 8, à paroi cylindrique perforée de préférence circulaire et de préférence encore de section constante sur la hauteur, reliée de manière étanche à la conduite d'évacuation 5.4.
Le fonctionnement du dispositif 8 est explicité sur la figure 4a : le corps du collecteur 8.1 est percé d'une multitude de trous calibrés 8.2, de préférence identiques sur la hauteur, et répartis de préférence de manière uniforme sur la périphérie, comme représenté sur la figure 4b, lorsque le niveau de pétrole dans l'enceinte principale est en dessous de la limite supérieure du collecteur , c'est-à-dire en dessous du plan BB, comme représenté sur la partie gauche de la figure, le pétrole passe à travers les orifices 8.2 et est évacué par la conduite 5.4. Le gaz, dont la pression augmente à l'intérieur de ladite enceinte, est lui aussi évacué par la même voie 5.4, ce qui reconstitue un mélange pétrole / gaz, qui est initialement bi-phasique, mais peut, après un certain parcours dans les installations, ou par recompression du fluide, devenir monophasique par dissolution du gaz dans le pétrole, lorsque le niveau de pétrole dans l'enceinte principale est en dessous des trous les plus bas, en dessous du plan AA, le pétrole n'est plus évacué, et seul le gaz est évacué par la conduite 5.4, lorsque le niveau de pétrole dans l'enceinte principale est au dessus du plan BB, le gaz n'est plus évacué et seul le pétrole est évacué, non seulement par les trous latéraux 8.2, mais aussi par l'orifice supérieur 8.3 du collecteur, comme indiqué sur la partie droite de la figure.
On peut être amené à prélever une partie du gaz pour le réinjecter directement dans la nappe, ou encore pour l'expédier directement vers une autre destination. La vanne pilotée 4.6 permet ainsi de contrôler la quantité de gaz prélevé, la totalité du surplus étant réexpédié à travers l'enceinte principale, en même temps que l'huile vers la surface, par la conduite 5.4.
Sur la figure 5 on a représenté une seconde variante d'une installation de séparation selon l'invention, dans laquelle la séparation eau / huile n'est pas assurée par la cloison 5.6, mais par la séparation gravitaire naturelle créée par la différence de densité entre eau et huile. L'eau 1 .4 se trouve dans la partie basse 3.4 de l'enceinte principale où se rassemblent aussi les dépôts de sable, alors que l'huile 1.3 se situe en partie supérieure 3.5, et le gaz en ciel de l'enceinte. Sur cette figure, l'unité primaire de séparation fluide / gaz 4.1 - 4.2, ainsi que la vanne asservie de contrôle de gaz 4.5, n'ont pas été représentées, mais le fonctionnement d'ensemble du dispositif reste identique.
Cette seconde variante présente l'avantage de créer un étage supplémentaire de séparation eau / huile, car s'il reste des particules d'huile dans l'eau en provenance des cyclones, ces particules migreront naturellement vers la couche d'huile par l'effet de la gravité. De même toute trace d'eau dans le pétrole aura la possibilité de migrer vers le bas pour rejoindre la zone aqueuse. Cependant, il est nécessaire que l'huile présente une densité beaucoup plus faible que l'eau de manière à assurer une séparation correcte entre eau et huile, et donc une interface stable, et cette disposition fonctionne mieux avec des bruts légers.
Sur les figures 2, 4, 5 et 6, on a représenté des moyens de perte de charge 2f consistant en des diaphragmes en aval de l'orifice inférieur 2c de sortie de la phase aqueuse du cyclone de séparation liquide / liquide 2 selon l'invention.
Ce type de moyen de perte de charge engendre une perte de charge proportionnelle au niveau de l'accélération, donc au carré du débit du fluide le traversant, ce qui a l'effet l'autorégulation de l'installation lorsque, comme explicité ci-après, on cherche à réduire la pression de la phase aqueuse en sortie dudit séparateur de type cyclone, pour stabiliser le fonctionnement de l'installation de séparation.
Sur la figure 3 on a représenté en coupe et en vue de côté un cyclone selon l'invention dont l'évacuation en partie basse est axiale. La partie inférieure 2.2 du cyclone est alors conique avec un angle au sommet 30 à 60°, le plateau 2d n'étant alors plus supporté par le fond du cyclone, mais au niveau de la conduite d'évacuation axiale de l'orifice inférieur axial 2c, dans une zone où l'effet tourbillonnaire n'est plus nécessaire au processus de séparation cyclonique. Le diamètre φ2 de la conduite d'évacuation de l'eau au niveau de l'orifice inférieur 2c est supérieur, par exemple de 50%, au diamètre φl de la conduite d'évacuation du pétrole de l'orifice de sortie axial supérieur 2b, la différence de diamètre correspondant à la perte de charge créée par des plaques perforées ou les diaphragmes 2f décrits ci-dessus et dont le rôle est de rendre le dispositif autorégulateur. La forme conique 2.2 du fond de la chambre 2 permet d'entraîner le sable en même temps que l'eau évacuée.
Dans le cyclone selon l'invention, la pression de la phase lourde (eau) , extraite près de la paroi externe de la chambre 2, est supérieure à la pression de sortie de la phase légère (huile) . L'écart entre ces deux pressions est directement lié à l'accélération moyenne du fluide interne au cyclone et à la position radiale de l'interface huile / eau au niveau de la plaque inférieure comme représenté sur la figure 2e.
Dans le procédé de séparation selon l'invention, pour stabiliser le fonctionnement de l'installation, on impose une pression de référence sensiblement identique pour les deux orifices de sortie supérieur 2b et inférieur 2c du cyclone, en les reliant à une enceinte de rejet commune constituée par l'enceinte principale 5, et en réduisant la pression de l'eau en aval dudit orifice inférieur 2c de manière à ce qu'elle soit rendue sensiblement identique à celle de l'huile en sortie de l'orifice supérieur axial 2b. On rend l'installation autorégulée en imposant sur la sortie de la phase lourde (eau) une perte de charge proportionnelle au niveau d'accélération, donc au carré de son débit, par exemple au moyen d'une plaque perforée ou d'un diaphragme 2f intercalé à chacun des orifices de sortie inférieurs de chacun des cyclones, lesdits moyens créant des pertes de charges identiques pour l'ensemble des cyclones du dispositif, ou bien en réalisant en pied de cyclone une portion de chambre dans laquelle la rotation résiduelle de sortie est conservée, la sortie finale s'effectuant sur un rayon proche de l'axe, comme représenté sur la figure 3.
L'installation selon l'invention composée d'un ensemble de cyclones selon l'invention associé à une enceinte principale 5 selon les figure 4 à 6 présente donc un caractère d'autorégulation.
Ainsi, les variations de pourcentage eau /pétrole brut entrant, correspondent, dans la configuration de la figure 5, à un déplacement de la surface libre 3.6 de la phase liquide légère (huile) , entre des positions limites mini-maxi acceptables, et dans la configuration de la figure 4, à une différence de niveau entre l'interface eau / gaz 3.7 et l'interface pétrole / gaz 3.8. Les variations de débit n'affectent que faiblement la position de l'interface 3.6 dans le cas de la figure 5, et la différence de niveau 3.7-3.8 dans le cas de la figure 4.
Le dispositif de l'enceinte principale décrit précédemment en relation avec des cyclones selon l'invention fonctionne aussi avec des cyclones conventionnels, mais ces derniers sont en général très longs et donc plus difficiles à intégrer au sein d'une enceinte principale, et de plus, leur point de fonctionnement stable est assez précis, ce qui les rend inutilisables lorsque les variations de proportions eau/huile ou de débit sont importantes, en raison des risques d'entraînement de poches d'huile comme expliqué en regard de la figure l e, alors que les cyclones selon l'invention s'accommodent parfaitement de telles instabilités dans les variations de débit et de proportions huile/eau dans le pétrole brut.
Le fonctionnement du dispositif selon l'invention est donc auto adaptatif, car les cyclones présentent une large plage de fonctionnement, ce qui les rend capables d'absorber des variations importantes dans les pourcentages d'eau et de gaz, lesdites variations étant ensuite stabilisées dans l'enceinte principale 5 où règne une pression créée par le gaz en provenance du séparateur pétrole/ gaz situé en amont, avant d'être dirigé vers d'autres équipements de traitement. De plus ladite large plage de fonctionnement des cyclones et de l'enceinte principale permet d'envisager un équipement unique pendant toute la durée d'exploitation d'un champ pétrolier, exploitation qui peut durer 20- 25 ans voire plus, sans qu'il soit nécessaire de changer les composants sensibles, comme c'est le cas avec l'art antérieur, alors qu'en début d'exploitation un champ produit environ 5% d'eau pour 95% d'huile, alors qu'en fin de vie il produira 95-98% d'eau pour 5-2% d'huile.
Sur la figure 6 on a représenté en coupe et en vue de côté, une installation de séparation selon l'invention correspondant à la seconde variante, dans laquelle la batterie de cyclones 2 est intégrée au sein de l'enceinte principale 5. En effet, pour que l'ensemble des cyclones 2, montés en parallèle fonctionne de manière stable les uns par rapport aux autres, évitant ainsi de créer des instabilités d'ensemble, il est important que les parcours des fluides soient identiques et aussi réduits que possible, de manière à ce que les pertes de charge soient quasi identiques pour chacun des cyclones. Pour ce faire, l'ensemble des cyclones, par exemple 6, 8 ou 12 cyclones, est installé à l'intérieur d'un diffuseur 4.3a relié à la conduite d'alimentation en pétrole brut dégazé 4.3, lesdits cyclones étant assemblés de manière étanche, par exemple par soudage, en 4.3b en partie haute dudit cyclone, et en 4.3c en partie basse dudit cyclone, de telle manière que le diffuseur 4.3a ne communique pas directement avec l'enceinte principale 5, mais communique avec les seules conduites d'entrée tangentielle 2a des cyclones 2. Les orifices axiaux supérieurs 2b de chacun des cyclones communiquent directement avec la partie supérieure de l'enceinte principale, dans la zone où se rassemble naturellement le pétrole séparé de l'eau par simple gravité.
De même, les orifices inférieurs 2c de chacun des cyclones communiquent directement avec la partie inférieure de l'enceinte principale, de préférence directement dans la zone d'accumulation de l'eau.
Le fonctionnement d'ensemble est alors identique à celui décrit en regard des figures 4 et 5.
De manière à pouvoir intervenir sur les éléments internes, dans le cas d'enceinte sphérique, ladite enceinte est avantageusement réalisée en deux demi coquilles soudées respectivement sur des brides 5a assemblées en 5b par boulons, non représentés, l'étanchéité étant assurée par un joint torique 5c.
Dans les descriptions de l'invention, pour la clarté des dessins, on a représenté les cyclones avec orifice unique d'admission 2a, mais on injecte avantageusement le fluide à séparer, par 2, 3 ou 4, voire plus, orifices identiques, uniformément répartis sur la périphérie, comme représenté sur la figure 6a, de manière à augmenter la stabilité du tourbillon créé en tête du cyclone, stabilité qui se répercute alors sur toute la colonne de séparation eau / huile et améliore d'autant la stabilité d'ensemble du dispositif.
Sur la figure 7 on a représenté, en vue de dessus, la mise en parallèle de quatre dispositifs selon la figure 6, les quatre enceintes principales 5 étant reliées au niveau de leur diffuseur 4.3a, à la conduite d'alimentation en pétrole brut dégazé 4.3 par des conduites secondaires identiques créant ainsi une symétrie absolue en termes de trajet du fluide entrant, donc en termes de pertes de charges. De même, les orifices d'évacuation, non représentés, présenteront la même symétrie, ce qui permettra ainsi un fonctionnement stable du dispositif selon l'invention, quel que soit le nombre de cyclones au sein d'une même enceinte principale, et quel que soit le nombre d'enceintes identiques reliées entre elles de manière totalement symétrique. On ajoute avantageusement des vannes d'isolation 4.6, de préférence du type à boisseau sphérique, qui permettent d'isoler une ou deux enceintes 5, en fonction du débit d'eau et de la proportion eau/huile dans le pétrole brut, ce qui augmente d'autant la souplesse de fonctionnement du dispositif pendant toute la durée de vie des installations, c'est-à-dire 20-30 ans, voire plus, sans avoir à modifier l'ensemble, alors que la production de pétrole brut contient au fil du temps en général de plus en plus d'eau et de moins en moins de pétrole. Ces vannes, représentées sur la figure 7 sur deux enceintes principales adjacentes, seront de préférence installées sur deux enceintes principales en face à face, de manière à respecter au mieux la symétrie du système.
On reste dans l'esprit de l'invention en considérant un dispositif selon la première variante, c'est-à-dire avec la cloison interne 5.6, dans lequel on intègre l'ensemble des cyclones à l'intérieur de l'enceinte principale comme décrit dans la figure 6, mais placés horizontaux. Les orifices de sortie supérieurs 2b des cyclones doivent alors être dirigés sur la partie droite, dans la zone huile, tandis que les orifices inférieurs 2c doivent être dirigés vers la gauche, dans la zone eau de l'enceinte principale, ce qui crée toutefois des dissymétries dans les circuits hydrauliques des cyclones et donc des risques d'instabilité d'ensemble, et ne constitue pas en conséquence la version préférée de l'invention.
A titre d'exemple, un cyclone selon l'invention présente un diamètre de 50 à 70mm et une longueur de corps de 300 à 400mm. Les orifices d'entrée 2a du pétrole brut sont au nombre de trois et présentent, au niveau du raccordement avec le corps cylindrique du cyclone, une section rectangulaire de 20mm de hauteur et de lmm de largeur. Ce cyclone est capable de traiter un débit d'environ 1 à 1.5 litre/seconde, et crée une perte de charge de 2 à 3 bars entre l'orifice d'entrée 2a et les orifices de sortie 2b, 2c.
Pour une production de 10 000 barils par jour, soit 1590 m3/jour, soit encore 18,4 litres/sec, on installe 16 cyclones selon l'invention dans une enceinte sphérique de 1.5m de diamètre interne constituée de deux demi sphères comme détaillé sur la figure 5, ce qui représente un volume total de 1.77m3, ce qui correspond, en considérant un niveau moyen de remplissage de l'enceinte principale de 50%, à un temps moyen de passage des fluides dans ladite enceinte principale, appelé temps de séjour, de 48 sec. On considère alors avantageusement comme constante de temps du système de régulation de l'ensemble 10% du temps de séjour, soit environ 5 secondes, ce qui permet d'utiliser des moyens de régulation très classiques et ainsi ne nécessite pas les moyens de régulation à très hautes performances requis par les dispositifs de l'art antérieur.
La vitesse tangentielle à l'entrée des cyclones est de 19.2 m/sec, ce qui correspond, pour un diamètre interne du cyclone de 60mm, à une accélération centrifuge de 1 250g.
Pour une production sous-marine en mer très profonde, de 8 à 15 000 barils par jour, on utilise avantageusement une enceinte principale unique. Mais, au delà, on préfère disposer une multiplicité d'enceintes 5 en parallèle comme explicité sur la figure 7, car ladite sphère devant résister à l'implosion devra présenter une épaisseur de paroi très importante, ainsi qu'une sphéricité quasiment parfaite, la réalisation de telles pièces de forge usinées étant extrêmement coûteuse lorsque les dimensions augmentent.
Dans le cas où l'on installe le dispositif à terre, on dispose en général de la place nécessaire, et il est alors intéressant de mettre en œuvre les configurations indépendantes des figures 4 ou 5, en prenant soin de respecter une symétrie dans les circuits hydrauliques entre cyclones et enceinte principale, ce qui peut être obtenu simplement en installant lesdits cyclones autour de ladite enceinte, à distance constante et de préférence dans une répartition uniforme, la conduite 4.3 d'alimentation en pétrole dégazé étant constituée d'un anneau circulaire assurant une alimentation uniforme dans chacun des dits cyclones. Dans cette configuration, l'enceinte peut être cylindrique d'axe vertical, et comporte alors des fonds bombés.
A bord des FPSO, la place est très limitée et il est alors intéressant d'intégrer les cyclones à l'intérieur de l'enceinte principale, ladite enceinte pouvant être elle aussi cylindrique d'axe vertical, avec fonds bombés, intégrant un assemblage avec brides 5a.
Dans le cas où le dispositif est installé au fond de la mer, et plus particulièrement dans les ultra grands fonds, c'est-à-dire par 2000-300Om, voire plus, on préférera intégrer les cyclones dans une enceinte principale de forme sphérique, car dans la conception du système, on est amené à considérer que l'ensemble du dispositif peut être intégralement rempli de gaz et relié à la surface, c'est-à-dire que la pression interne est la pression atmosphérique. La pression extérieure, c'est-à-dire environ 10MPa pour 1000m de profondeur, s'appliquant alors intégralement sur l'enceinte principale et tendant à la faire imploser, l'utilisation d'une forme sphérique permet de résister de manière optimale à ladite pression de fond.
Les procédé, cyclone et installation selon l'invention ont été décrits dans le cadre d'une utilisation pour le pétrole, mais restent applicables dans tout processus où l'on veut séparer, de manière efficace et simple, deux phases liquides de densités différentes proches ou éloignées, en particulier dans l'agro-alimentaire, dans la récupération des huiles industrielles, et dans toute application où l'on veut séparer de manière efficace deux liquides de densités proches.
Au cas où l'on souhaite rejeter l'eau de séparation directement dans la mer, il conviendra de respecter les niveaux acceptables de présence d'huile, et l'on installera avantageusement un deuxième dispositif de séparation selon l'invention en sortie d'eau 5.3 pour atteindre le niveau de pureté recherché.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cyclone de séparation liquide/liquide, de deux phases liquides de densités différentes d'un fluide notamment les phases aqueuse et huileuse d'un pétrole brut comprenant :
- une chambre de séparation (2) dont la paroi forme une surface de révolution s'étendant entre
. au moins un orifice d'admission tangentielle (2a) du fluide à séparer et un orifice de sortie axiale supérieure (2b) de la phase liquide de plus basse densité à l'extrémité supérieure de ladite chambre, et
. un orifice de sortie inférieure (2c) de la phase liquide de plus haute densité,
caractérisé en ce que ladite chambre de séparation comprend un même corps cylindrique (2.1) s'étendant au moins entre lesdits orifices d'admission (2a) et un plateau (2d) de même axe (XX') que ledit corps cylindrique, de diamètre inférieur à celui dudit corps cylindrique et positionné au dessus dudit orifice de sortie inférieure (2c) , de sorte que 2 volumes se créent sous l'effet du fluide à séparer entrant par le(s)dit(s) orifice(s) d'admission tangentielle, comprenant un volume central de phase liquide de plus basse densité, notamment phase huileuse, sous forme d'une colonne centrale sensiblement cylindrique supportée par ledit plateau, et un volume périphérique annulaire de la phase liquide de plus haute densité entourant ladite colonne centrale, permettant l'évacuation de la phase liquide de plus basse densité par ledit orifice de sortie axiale supérieure (2b) et l'évacuation de ladite phase liquide de plus haute densité par ledit orifice de sortie inférieure (2c) .
2. Cyclone de séparation selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'interface entre les 2 dits volumes peut se déplacer radialement sur ledit plateau lorsque la proportion relative des deux phases liquides entrant dans la composition du fluide à séparer varie, sans affecter la séparation des deux dites phases liquides.
3. Cyclone de séparation selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite chambre de séparation (2) est constituée d'un même corps cylindrique (2.1) s'étendant entre ledit orifice d'admission (2a) et ledit orifice de sortie inférieure (2c), ledit orifice de sortie inférieure (2c) étant un orifice de sortie tangentielle, et ledit plateau (2d) étant positionné à l'extrémité inférieure dudit corps cylindrique juste en amont dudit orifice inférieur de sortie tangentielle.
4. Cyclone selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion inférieure (2.2) de ladite chambre située entre ledit plateau (2d) et ledit orifice inférieur de sortie (2c) est de forme conique de même axe (XX') que ledit corps cylindrique et ledit orifice inférieur est un orifice de sortie axiale s'étendant dans la direction axiale (XX') dudit corps cylindrique (2.1).
5. Cyclone selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de perte de charge (2f) au niveau dudit orifice de sortie inférieur (2c) pour réduire la pression de la phase lourde aqueuse en sortie dudit séparateur, de préférence des moyens de perte de charge proportionnelle à l'accélération du fluide, tels qu'une plaque perforée ou un diaphragme, en aval dudit orifice de sortie inférieur (2c) dudit cyclone de séparation liquide/liquide (2).
6. Cyclone selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le diamètre dudit plateau est de 1 /2 à 98/100 de celui dudit corps cylindrique, de préférence au moins 3A.
7. Installation de séparation d'au moins deux phases liquides de densités différentes d'un fluide contenant aussi du gaz, de préférence au moins l'huile et l'eau d'un pétrole brut (1) comprenant de l'huile (1.3), de l'eau (1.4), des particules de sable (1.5) et du gaz (1.2) comprenant a) au moins un séparateur liquide/gaz du type cyclone (4.2) de préférence dans au moins une première enceinte (4.1), et b) au moins un séparateur liquide/liquide du type cyclone (2) selon l'une des revendications 1 à 6 relié au dit séparateur liquide/gaz par une première conduite (4.3) d'amenée de pétrole dégazé, et c) au moins une enceinte principale (5) , ladite enceinte principale étant reliée
- au dit séparateur liquide /gaz (4.2) par une conduite d'amenée de gaz (4.4), le cas échéant depuis la partie haute de ladite première enceinte (4.1) jusqu'à la partie haute de ladite enceinte principale, ladite conduite d'amenée du gaz (4.4) étant équipée d'une vanne (4.5) apte à contrôler la pression du gaz, et
- audit séparateur liquide/liquide de type cyclone (2) par deux conduites (5.1 , 5.2) s'étendant depuis les orifices supérieur (2b) et inférieur (2c) de sortie des phases huileuse et aqueuse respectivement jusqu'à déboucher dans deux zones distinctes (3.4, 3.5) de ladite enceinte principale (5) ,
- ladite enceinte principale comprenant en outre des conduites (5.3, 5.4) d'évacuation de l'eau et l'huile séparément.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de perte de charge (2f) proportionnelle à l'accélération du fluide, de préférence une plaque perforée ou un diaphragme, en aval dudit orifice de sortie inférieur (2c) dudit cyclone de séparation liquide/liquide (2) .
9. Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que ladite enceinte principale (5) comprend respectivement :
. dans une zone d'accumulation de l'huile (3.5) , un dispositif de contrôle (8) de l'évacuation de l'huile et/ou dudit gaz dans une même conduite (5.4) , et
. dans une zone d'accumulation de l'eau (3.4), un dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau (7) séparée des dites particules solides dans une conduite distincte (5.3) en partie basse de ladite enceinte principale, et un orifice d'évacuation (5.5) des dites particules solides au fond de ladite enceinte principale.
10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau (7) séparée des dites particules solides est constitué d'une vanne automatique (7.1) commandée par un flotteur (7.2) apte à obturer l'évacuation de l'eau lorsque le niveau de l'eau descend en dessous d'un niveau donné et apte à autoriser l'évacuation de l'eau lorsque le niveau monte au dessus dudit niveau.
11. Installation selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que ledit dispositif de contrôle de l'évacuation du pétrole et/ou dudit gaz dans une même conduite (5.4) est constitué par un collecteur cylindrique (8.1) relié à ladite conduite d'évacuation du pétrole et/ou du gaz (5.4) , ledit collecteur comprenant une paroi cylindrique perforée (8.2) à différents niveaux sur la hauteur dudit collecteur apte à permettre l'évacuation du gaz par les perforations situées au dessus du niveau du pétrole et l'évacuation du pétrole par les perforations situées au dessous du niveau du pétrole.
12. Installation selon l'une des revendications 7 à 1 1 , caractérisée en ce que lesdites deux zones distinctes de ladite enceinte principale (5) sont séparées par une cloison interne (5.6) apte à ne laisser communiquer entre les deux zones que ledit gaz.
13. Installation selon l'une des revendications 7 à 1 1 , caractérisée en ce que ladite enceinte principale ne comprend pas de cloison interne et lesdites phases huileuse et aqueuse récupérées séparément en sortie des dits séparateurs liquide/liquide (2) sont envoyées dans deux dites zones distinctes de ladite enceinte principale (5) séparées par simple gravité naturelle créée par la différence de densité entre eau et huile.
14. Installation selon l'une des revendications 7 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend une série de dits séparateurs liquide/liquide du type cyclone (2) montés en parallèle.
15. Installation selon l'une des revendications 7 à 14, caractérisée en ce que le ou lesdits séparateurs liquide/liquide sont placés à l'intérieur de ladite enceinte principale (5) , les orifices de sortie des phases huileuse et aqueuse en sortie du ou des dits séparateurs liquide/liquide de type cyclone communiquant respectivement avec lesdites zones distinctes d'accumulation du pétrole et de l'eau dans ladite enceinte principale.
16. Installation selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisée en ce que ladite enceinte principale (5) est installée à terre ou à bord d'un support flottant, et est de préférence de forme cylindrique à fond bombé.
17. Installation selon l'une des revendications 7 à 15, caractérisée en ce que ladite enceinte principale (5) est de forme sphérique et est installée au fond de la mer.
18. Installation selon l'une des revendications 7 à 17, caractérisée en ce qu'on met en œuvre une pluralité, de préférence au moins quatre enceintes principales (5) contenant chacune une pluralité, de préférence au moins quatre dits séparateurs liquide/liquide du type cyclone.
19. Installation selon la revendication 18, caractérisée en ce que lesdites enceintes principales et lesdits séparateurs liquide/liquide du type cyclone de l'étape 2) sont répartis symétriquement.
20. Procédé de séparation d'au moins l'huile (1.3) et l'eau (1.4) d'un pétrole brut (1) comprenant aussi du gaz (1.2) et le cas échéant, des particules de sable (1.5) à l'aide d'une installation selon l'une des revendications 7 à 19, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes successives suivantes dans lesquelles :
1) On réalise le dégazage au moins partiel dudit pétrole brut (1) à l'aide d'un dit séparateur liquide/gaz de préférence du type cyclone (4.2) dans au moins une première enceinte (4.1), et
2) On réalise la séparation de l'eau contenue dans ledit pétrole brut dégazé (1.1) obtenu à l'étape 1), pour obtenir une phase d'huile (1.3) et une phase aqueuse (1.4, 1.5) contenant lesdites particules solides (1.5), à l'aide d'au moins un dit séparateur liquide/liquide du type cyclone (2),
3) On réalise une étape supplémentaire de stabilisation et régulation du fonctionnement du ou des dits séparateurs liquide/liquide de l'étape 2) en envoyant les flux de gaz (1.2), phase huileuse (1.3) et phase aqueuse (1.4) issus des dits séparateurs des étapes 1) et 2) dans une même dite enceinte principale (5) sensiblement à la même pression pour obtenir un niveau contrôlé (3.6, 3.8) d'huile et d'eau dans ladite enceinte principale
- ledit flux de gaz (1.2) étant récupéré en partie haute de ladite première enceinte (4.1) et envoyé (4.4) sous pression contrôlée par une vanne (4.5), en partie haute de ladite enceinte principale 5, et
- la pression de ladite phase aqueuse récupérée en sortie (2c) dudit séparateur liquide/liquide (2) étant réduite par des dits moyens de perte de charge (2f) pour obtenir une pression sensiblement identique à celle de ladite phase huileuse en sortie (2b) dudit séparateur liquide/liquide de type cyclone de l'étape 2) .
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que les niveaux des phases liquides d'huile et eau dans les deux dites zones distinctes (3.2, 3.4) de ladite enceinte principale (5) sont régulés par lesdits dispositif de contrôle (8) de l'évacuation de l'huile et/ou dudit gaz dans une même conduite (5.4) , et dispositif de contrôle de l'évacuation de l'eau (7) .
22. Procédé selon la revendication 20 ou 21 , caractérisé en ce que la commande de ladite vanne (4.5) pour contrôler la pression du gaz en sortie de ladite première enceinte (4.1), se fait en fonction du niveau de pétrole dans ladite première enceinte, lequel niveau est maintenu de préférence sensiblement constant.
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