Le pompage polyphasique

La technologie de la pompe polyphasique rotodynamique a été développée par IFPEN dans les années 80, pour répondre aux exigences de réduction des coûts de production de pétrole brut et de valorisation du gaz naturel sur des sites de production isolés (sites à terre ou en mer, et plus souvent sous marin). Elle permet le transport du brut et du gaz dans une seule conduite de production offrant une alternative au schéma utilisé autrefois, qui consistait à séparer les effluents et à ne transporter que le brut dans une conduite. Le gaz était alors transporté séparément dans le meilleur des cas, voire brulé sur le site même de production. Les pompes volumétriques sont constituées de deux vis sans fin montées parallèlement. Leur domaine de fonctionnement correspond généralement à des gains de pression élevés et des débits relativement faibles. Elles correspondent à des machines de puissances plutôt inférieures à 1,5 MW quoi que des pompes beaucoup plus puissantes, de l’ordre de 5 MW, commencent à être commercialisées. POSEIDON, sont des pompes hélico axiales multi-étagées comme l’indique la figure 7. Chaque cellule de compression, ou étage de compression, est constituée d’un rotor (ou impulseur), et d’un stator (ou diffuseur) comme la plupart des pompes ou compresseurs rotodynamiques. Les pompes Poséidon possèdent en général entre 5 et 15 étages. La forme particulière du rotor proche de celle des inducteurs utilisés dans le domaine du nucléaire et de l’aérospatiale, confère à la cellule de compression ses qualités de compression d’un mélange de gaz et de liquide. En outre, elle accepte la venue d’une quantité raisonnable de sable.

Courbes caractéristiques

Comme toutes les pompes rotodynamiques, les pompes polyphasiques sont caractérisées classiquement par des réseaux de courbes représentant le gain de pression, la puissance et le rendement en fonction du débit volume (ou masse pour le cas des compresseurs). La figure 9, représente le gain de pression d’une pompe ESP en fonction du débit liquide pour différente valeurs de la fraction volumique de gaz (GVF). Elle illustre l’impact du GVF sur les performances réelles d’une pompe centrifuge. On voit bien en premier lieu que pour un débit de liquide fixé, le gain de pression diminue lorsque la fraction de gaz augmente. En second lieu, on note que pour un GVF donné, le gain de pression chute à débit partiel. On distingue clairement un comportement de transition qui se traduit par un changement de pente de la courbe du gain de pression pour un débit donné. Enfin on peut constater, pour cette pompe, que le gain de pression devient nul voire négatif à partir d’un GVF de 12%. Une fraction de gaz trop importante procure à la pompe un comportement de turbine, avec une consommation de l’énergie de pression du fluide. Nous supposons que ce comportement correspond à un désamorçage de la pompe à débit réduit mais ne sera pas étudié dans le présent travail.  Pour tenter de traduire ces phénomènes, IFPEN a introduit un paramètre pour caractériser les modifications des performances pour l’appliquer au cas des étages de la pompe polyphasique de type Poséidon. Ce paramètre, appelé efficacité diphasique et noté Ec, traduit la dégradation des performances due à la présence d’un mélange gaz/ liquide dans la cellule de compression. Il est défini comme étant le rapport du gain de pression réel ∆P réel et du gain de pression idéal ∆P idéal .

D’un point de vue physique, l’efficacité diphasique traduit la dégradation de performances de la pompe, liée entre autres à une mauvaise qualité du mélange dans les cellules de compression. Des travaux expérimentaux menés dans les années 90 ont permis à IFPEN de corréler l’évolution de ce paramètre fondamental en fonction des conditions opératoires mesurées à l’entrée de la pompe : L’impact de ces deux derniers paramètres sur l’efficacité diphasique est considéré, pour l’instant, comme étant du second ordre. Dans ces conditions, l’efficacité diphasique fait appel aux aspects thermodynamiques du mélange gaz- liquide considéré. Prise comme telle, elle est incapable de restituer ou d’expliquer la modification des courbes telles que celles présentées en figure 9 pour une machine centrifuge. Il en est de même pour les machines axiales de type « Poséidon ».  En effet, le modèle qui établi l’évolution de l’efficacité diphasique est, en particulier, basé sur des essais de deux pompes appelées P300 et P200, réalisés dans les années 90. L’évolution de l’efficacité diphasique Ec (donnée en relation (1.1)) en fonction du GLR mesuré à l’entrée d’un étage de compression est donnée sur la figure 10 ci-dessous.