Géométrie de base, fonctionnement et applications du GLCC

2.1.1 Géométrie et fonctionnement

Le GLCC (Fig.2.1) est composé d'une conduite cylindrique verticale qui constitue le corps du séparateur. Elle est munie d'une entrée tangentielle inclinée et située à mi-hauteur environ, et de deux jambes de sorties respectives en haut et en bas. Lors du fonctionnement normal du système, le gaz sort par le haut tandis que le liquide emprunte la sortie du bas. Pour certaines applications (voir Section 2.1.2), les deux sorties sont recombinées comme représenté sur la Figure 2.1.

Figure 2.1 Géométrie de base du GLCC.

Du fait de l'entrée tangentielle, l'écoulement multiphasique alimentant le système engendre un mouvement tourbillonnaire, et un vortex localisé s'étend dans tout le système. Le liquide se dirige essentiellement vers la partie inférieure du séparateur tout en emportant/engloutissant des bulles, tandis que le gaz occupe la partie supérieure. L'interface gaz-liquide principale se creuse lorsque l'eet de la force centrifuge est susant : le vortex localisé est ainsi visualisé. On se réfèrera souvent au vortex liquide localisé simplement par le mot vortex.

Dans la partie basse du système, les grosses bulles regagnent rapidement l'interface sous l'eet de la poussée d'Archimède. Les bulles plus petites, tout en étant entraînées vers le bas par le liquide, se dirigent radialement vers le centre du vortex sous l'eet du champ centrifuge, et se rassemblent en un lament : ce lament de bulles permet de visualiser le c÷ur du tourbillon. Ce

lament rejoint l'interface principale et les bulles sont ainsi séparées : en eet, au centre de la conduite, la vitesse moyenne du liquide est très faible, voire souvent dirigée vers le haut (Fig.2.2) (ce point sera détaillé dans la Section 3.1.2.2). Les bulles arrivent donc à remonter grâce à la poussée d'Archimède, tout en étant souvent aidées par liquide. On note que R_cap, le rayon de la zone d'inversion d'écoulement, est bien plus important que la taille du lament.

Figure 2.2 Prol approximatif de la vi-tesse axiale du liquide dans le bas du GLCC ([Marti1996]).

Toutefois, il est possible qu'une partie des bulles ne soit pas séparée, et qu'elle sorte par la jambe prévue pour le liquide : le phénomène est dit GCU (pour Gas Carry Under en Anglais). [Marti1996] identie trois mécanismes respon-sables du GCU :

ê Les bulles les plus petites, pour

les-quelles le champ centrifuge ne sut pas pour qu'elles rejoignent le c÷ur gazeux à temps.

ê L'instabilité du lament de bulles qui

s'agite et qui peut se rompre occasion-nellement.

ê L'augmentation brusque du débit de

li-quide qui pousse des essaims de bulles vers le bas.

Dans la partie supérieure du GLCC, les gouttelettes de liquide sont centrifugées jusqu'aux parois, où elles coalescent en un lm liquide dicilement entraînable par le gaz, et qui retombe par la suite vers le bas par gravité. Toutefois, si le débit de gaz dépasse un certain seuil tolérable par le système, du liquide est transporté jusqu'à la sortie supérieure : c'est le LCO (pour Liquid Carry Over en Anglais). Notons que même lorsque le séparateur fonctionne normalement, et en plus du liquide transporté par les gouttes jusqu'aux parois, il y a souvent une masse annulaire de liquide, plus ou moins épaisse, et qui tourne à grande vitesse juste au-dessus de l'alimentation. Cette quantité de liquide dans la partie supérieure se forme bien avant qu'il y ait LCO (le ux moyen de liquide vers le haut restant évidemment nul). Elle résulte de l'impact entre le jet d'entrée et les parois du cyclone.

On note que le GLCC n'inclut pas d'éliminateur de brouillard (voir Paragraphe B.2). En eet, compte tenu de l'ecacité de la séparation centrifuge, les débits d'air qui initient le LCO sont a priori assez conséquents pour qu'un extracteur de gouttelettes puisse fonctionner correctement : le liquide collecté serait réentraîné.

Le niveau du vortex est un paramètre très important pour un bon fonctionnement du GLCC. S'il dépasse le niveau de l'alimentation, il perturbe/casse le vortex gazeux. Aussi, le gaz se frayant un chemin va pulvériser une partie du liquide et risque ainsi d'initier un LCO prématuré. Si par contre le niveau du vortex est très bas, outre l'atténuation de l'intensité tourbillonnaire, les bulles englouties n'auront pas le temps de se désengager et le GCU sera important. Le niveau du vortex étant directement lié aux débits d'entrée et aux contre-pressions dans les jambes de sortie, dans le cas où il est monté sur des lignes variables avec le temps, le GLCC doit être asservi par l'intermédiaire de deux vannes commandées et installées au niveau des sorties pour préserver une hauteur convenable de liquide. De plus, comme pour tous les séparateurs centrifuges, l'intensité tourbillonnaire (et donc l'ecacité de la séparation) est liée aux débits d'entrée : le GLCC est donc moins souple en débits que les séparateurs conventionnels.

Figure 2.3 Comparaison de taille entre le GLCC et les ballons classiques ([Gomez1998a]).

Le GLCC fonctionnant sur un principe cy-clonique, il est bien plus compact que les sé-parateurs classiques. La Figure 2.3 montre la diérence de la taille requise par le GLCC et les séparateurs classiques, pour subvenir à sé-parer le mélange issu d'un champ pétrolifère exploité par Chevron (les dimensions sont cal-culées par [Gomez1998a] et ne sont pas issues d'expériences) : les débits moyens de liquide et de gaz sont respectivement 100 000 barils par jour (environ 660 m3/h) et 70 000 Mscf1 par jour (soit environ 82 600 m3 de gaz par heure, mesurés dans les conditions standard de tem-pérature et de pression), le procédé se déroule à une pression de 7,9 bars environ. En considérant que les séparateurs sont à moitié remplis de liquide, le poids du GLCC serait respectivement1/8et1/64de celui du ballon vertical et du ballon horizontal. Le GLCC est donc un séparateur léger.

En plus, le GLCC ne contient ni pièces mobiles ni unités internes pouvant s'encrasser, ses coûts de construction sont faibles et il ne nécessite qu'une très faible maintenance. C'est le séparateur gaz-liquide le plus simple. Le temps de séjour du uide est bien plus faible qu'avec les séparateurs classiques.

Pour toutes ces raisons, le GLCC est un séparateur potentiellement intéressant pour l'industrie pétrolière. Son utilisation est encore plus bénéque dans les cas oshores ou pour la séparation de fond (où la compacité est importante, la place étant comptée), pour la séparation sous-marine ou pour les applications arctiques (où un faible temps de séjour du uide est souhaité pour minimiser les pertes thermiques)... Il peut être utilisé pour une séparation totale ou pour une séparation partielle (quand elle peut sure) suivant les applications. Une séparation partielle permet aux équipements en aval d'être plus petits, moins chers, et souvent plus ecaces.

Figure 2.4 GLCC utilisé en tant que pré-séparateur [Gomez1999a].

L'industrie pétrolière s'y est donc extrê-mement intéressée. La recherche sur le GLCC se fait essentiellement par l'équipe TUSTP de l'Université de Tulsa (en Oklahoma aux États-Unis), dirigée par deux grands professionnels : O. Shoham et R. Mohan. L'équipe travaille sur le sujet depuis 1994. Elle est sponsorisée par 16 compagnies industrielles (dont plusieurs multi-nationales) : Chevron, Shell, Petrobas, Total, Saudi Aramco... Selon TUSTP [TUSTP2011], Chevron à elle seule dépenserait plus d'un mil-lion et demi de dollars par an pour nancer la recherche sur le sujet ! En Mai 2007, TUSTP avait déjà installé 1450 GLCCs sur le terrain [TUSTP2011].

Toutefois, à la connaissance de l'auteur et au moins jusqu'en 1998 ([Shoham1998]), peu des GLCCs installés ont été employés à des ns de séparation gaz-liquide complète. Il semble que les industriels sont encore méants, et ne veulent pas s'aventurer à coner au GLCC seul la tâche de la séparation gaz-liquide. En eet, un mauvais fonctionnement pourrait entraîner des pertes

considérables. Le dimensionnement du GLCC n'a donc pas encore gagné leur conance. La Figure 2.4 montre une conguration où le GLCC est utilisé en tant que pré-séparateur. Cette application concerne un champ de gaz humides exploité par Petrobas. Avec l'âge du champ pétrolifère, l'aug-mentation de la production d'eau avait entraîné un phénomène de bouchons sévères, que le ballon séparateur ne pouvait gérer. Pour éviter de le remplacer par un ballon encore plus gros et plus cher, un GLCC fut installé en amont comme pré-séparateur. Le GLCC a ainsi permis à l'ancien séparateur de fonctionner correctement à nouveau.

Toutefois, l'application la plus répandue du GLCC, et qui a été le plus étudiée, est le contrôle du GLR2 (rapport du débit de gaz sur celui du liquide dans les conduites) pour les débitmètres. Dans l'industrie pétrolière, l'opérateur a besoin de connaître les débits des diérentes phases issues de chaque puits. Ceci pour des raisons de Flow assurance, pour évaluer la rentabilité, ainsi que pour distribuer et optimiser sa production. Comme les séparateurs installés sont généralement utilisés pour traiter la production de diérents puits dans le champ, ils ne peuvent servir à connaître les caractéristiques de chacun. L'industrie pétrolière a d'abord utilisé un séparateur classique (appelé Well Test Separator dans le jargon pétrolier), muni de débitmètres monophasiques, et qu'on connectait aux diérents puits à tour de rôle. Le mélange est séparé et chaque phase mesurée. Cette solution n'est évidemment pas la plus pratique, puisque les mesures prennent du temps et mobilisent du personnel : le séparateur doit se remplir et se stabiliser pour qu'on eectue la mesure, il doit être purgé après, tout ceci peut demander des arrêts de production.

L'utilisation de débitmètres multiphasiques est une solution plus exible et plus rapide. Ils se stabilisent rapidement, et sont donc très utiles pour optimiser certaines opérations telles que le gaz lift. En eet, la lecture rapide des débits de liquide et de gaz permet de déterminer le débit optimal de gaz à injecter. Les débitmètres multiphasiques permettent une surveillance en continu et en temps réel du puits, et peuvent être plus facilement déplacés qu'un séparateur. Cependant ils sont des instruments très complexes et chers. Leur ecacité diminue généralement lorsqu'il n'y a pas de phase clairement dominante dans le système. Plus ils sont capables de traiter une gamme étendue de rapports de débits gaz/liquide, plus ils sont chers.

C'est dans ce contexte que le GLCC a trouvé sa principale utilisation aujourd'hui. On place un débitmètre au niveau de chaque de sortie, et les débits des phases peuvent ainsi être mesurés en temps réel. Ses avantages sont qu'il est économique, et qu'il peut être utilisé en tant qu'instrument portatif. Dans certains cas, la qualité de la séparation eectuée permet d'utiliser des débitmètres monophasiques qui sont économiques : c'est le cas d'un GLCC monté au champ de Lake Maracaibo au Venezuela [Gomez1998b]. Ce système de mesure possède l'avantage de ne pas contenir de sources radioactives, ce qui est le cas d'un bon nombre de débitmètres multiphasiques. Si la qualité de la séparation empêche que l'on puisse se contenter d'employer des débitmètres monophasiques, on place alors des débitmètres multiphasiques au niveau des jambes de sortie du GLCC. Le GLCC placé en amont réduit le pourcentage de la phase dispersée, et permet d'utiliser des débitmètres plus petits et moins chers, et qui vont être plus ables. L'économie permise serait d'environ quatre fois le prix du GLCC [Shoham1998].

Pour cette application de contrôle du GLR (rapport des débits de gaz et de liquide), les deux jambes de sortie du GLCC sont recombinées, comme schématisé sur la Figure 2.1. Dans une grande partie des installations, le système fonctionne sans asservissement extérieur : l'application est dite Stand-alone. La géométrie du séparateur ainsi que les débits des phases dictent la hauteur du vortex liquide. Le système est dimensionné de manière à ce que la hauteur du vortex liquide, pour les débits donnés, ne s'écarte pas trop de sa position optimale. La Figure 2.5a montre un prototype installé par Chevron au Springer eld en Oklahoma (États-Unis). Il a coûté environ 7500 dollars américains, sachant qu'un séparateur classique et pour la même application en aurait

coûté 25000 [TUSTP2011]. Certes la boucle est plus encombrante qu'un débitmètre multiphasique, mais l'économie permise est énorme et la précision est meilleure. Un système de contrôle peut être employé pour améliorer les performances du système en gardant la colonne de liquide au niveau optimal. Le système de commande contrôle en fait la contre-pression dans une ou dans les deux jambes de sortie du séparateur par l'intermédiaire de vannes.

La technologie du GLCC a pu aussi se trouver une application non pétrolière. Pour extraire des minerais de bicarbonate de sodium enfouis à plusieurs centaines de mètres sous terre, American Soda injecte de l'eau chaude qui dissout les minerais et les remonte en surface. Des bulles de gaz également produites, constituées essentiellement de méthane et de gaz carbonique empêchent la mesure able des débits à l'aide d'un débitmètre Coriolis. Ainsi la société a eu recours aux GLCCs (Fig.2.5b) [Lansangan2001]. Ces auteurs mentionnent qu'à la date de leur publication, 26 GLCCs étaient déjà utilisés pour cette application. Ils sont asservis par un système qui contrôle une vanne située sur la jambe supérieure.

(a) Prototype installé par

Che-vron [Kouba1996]. ^{(b) Prototype utilisé par American Soda}[Lansangan2001].

Figure 2.5 Des GLCCs opérationnels sur le terrain.

D'autres applications du GLCC suivent un principe similaire à l'application de mesure des débits. Ainsi, une pompe ou un éliminateur de sable3 peuvent être placés dans la jambe de liquide. L'utilisation d'unités plus petites et moins chères est ainsi permise, et leur ecacité va augmenter. Comme déjà mentionné, l'hydrocyclone liquide-solide, un éliminateur de sable extrêmement utilisé, ne peut tolérer que de faibles taux de gaz avant que son ecacité ne chute brutalement.

D'autres exemples de GLCC opérationnels peuvent être trouvés dans [Kouba1995b], [Kouba1996], [Shoham1998], [Gomez1998b], [Wang2000]. L'examen de ces diérents exemples semble indiquer que les performances du GLCC sont meilleures en terme de prévention du LCO que du GCU. Cer-taines applications comportent par exemple un débitmètre monophasique sur la jambe supérieure, et un débitmètre multiphasique sur la jambe du bas (pour tenir compte de la présence du gaz, et non pas de la présence simultanée d'eau et d'huile. Dans ce second cas, un débitmètre Coriolis permet de déduire le débit de chacune des phases.). Un autre exemple est le Accuow's Multiphase Metering System, qui est utilisé pour mesurer les débits. C'est un GLCC dont la jambe de sortie inférieure est connectée à un second étage de séparation pour éviter que les bulles ne faussent les mesures du débitmètre Coriolis [Kouba1996].