UTILISATION DE THERMOPLONGEURS POUR LE TRANSFERT DE CHALEUR LORS DES ESSAIS DE POMPES À ROTOR HÉLICOÏDAL EXCENTRÉ ET L’EFFET DE LA TEMPÉRATURE INDUITE SUR LE RENDEMENT

Couramment installées au fond de puits ou en surface, les pompes à rotor hélicoïdal excentré ou PCP sont utilisées pour pomper des mélanges très visqueux. Il pourrait s’agir du pompage d’un brut lourd chargé de sable, de l’assèchement du méthane de houille, ou du pompage de la boue de potasse de la mine de potasse. C’est une méthode de pompage idéale en raison de sa capacité à déplacer des solides et des fluides très visqueux ; elle offre en plus, des coûts d’investissement et d’exploitation très faibles et des rendements élevés de l’ordre de 25 à 95 %. 

La pompe à rotor hélicoïdal excentré se compose d’un rotor et d’un stator ; le rotor tourne alors que le stator reste immobile. On peut décrire le PCP comme étant une pompe à engrenages avec un seul rotor hélicoïdal qui tourne à l’intérieur d’un stator interne à double hélice revêtu d’élastomère. 

Le rendement du PCP dépend dans une large mesure de l’ajustement serré initial du rotor et du stator, de la température, de la vitesse de rotation et des propriétés du fluide de formation. Par exemple, la teneur en eau (CE), le rapport gaz/pétrole (GOR) et la densité des fluides. Le cœur du PCP est l’élastomère qui tapisse le stator ; il influence sa durée de vie et ses performances. 

TEST DU PCP À L’AIDE D’UN THERMOPLONGEUR

Avant sa mise en service et afin de déterminer l’efficacité de la pompe, les pompes à rotor hélicoïdal excentré sont testées sur un banc d’essai. Lorsqu’il entre en contact avec le fluide de formation, l’élastomère du stator va gonfler. Le volume de gonflage est fonction des propriétés du fluide de formation. Il est donc essentiel de déterminer le « rendement de non gonflage » de la pompe. Par conséquent, la pompe doit être testée à la température qu’elle rencontrera en service. Elle est identique à la température au fond du puits.

La figure 1 illustre la configuration du test. Le dispositif d’essai fonctionne en boucle fermée ; un moteur électrique est relié à la boîte de vitesses par un arbre qui à son tour est relié au rotor du PCP. Le volume d’eau pompé par le PCP est mesuré à l’aide d’un réservoir d’eau à cellule de charge. Pour déterminer l’efficacité du PCP, on utilisera le volume d’eau pompé pour chaque cycle d’essai. La partie principale du dispositif d’essai abrite le réservoir de 600 litres où l’eau est chauffée par le thermoplongeur. 

À l’arrière du dispositif d’essai, une pompe hydraulique est installée. Il alimente le PCP en eau à partir du réservoir principal par un tuyau de 3 pouces. Une vanne d’étranglement permet de limiter le débit du fluide pompé par le PCP et de régler la pression différentielle requise au niveau de la pompe. Cette méthode est une simulation de la hauteur de chute ou de la pression nécessaire pour pomper le fluide vers la surface.

Figure 1: configuration du test

La partie principale abrite un réservoir de 600 litres dans lequel un thermoplongeur de 12 KW est installé pour chauffer le fluide d’essai à la température d’essai. Ce thermoplongeur est installé sur la base du réservoir et est un réchauffeur triphasé avec une alimentation de 480 V et une longueur d’insertion de 36 pouces. En partant de l’hypothèse d’une température ambiante de 20 °C et d’une température finale d’essai de 40 °C.

La puissance requise pour chauffer 600 litres d’eau est calculée suivant la formule P = 4,2 X L X T

L = Quantité du liquide d’essai (de l’eau) = 600 litres

T = Différence entre la température finale et la température initiale = 20°C

P = 14 KW

Puissance de l’élément chauffant = 12 KW

En divisant P par la valeur nominale de l’élément chauffant, on obtient le temps nécessaire pour chauffer l’eau, soit 1,16 heure.

Ce qui offre la possibilité d’optimiser la taille des éléments chauffants pour réduire le temps de chauffage du fluide d’essai. 

EFFET DE LA TEMPÉRATURE SUR LE RENDEMENT DU PCP

Comme mentionné précédemment, le rendement du PCP est fonction des variations de température, que ce soit en surface ou au fond du puits. Afin de quantifier cette variation, deux PCP de même hauteur et de même capacité ont été testés sur le même banc en utilisant le même thermoplongeur. Les tests ont été effectués à 100 et 200 tours/minute. La figure 2 montre la comparaison du rendement des deux pompes, la pompe A et la pompe B, à 200 tr/min. La pompe A a été testée à 30 ͦC tandis que la pompe B a été testée à 40 ͦC. Les pompes A et B sont toutes deux des pompes de même capacité.

Figure 2: Ci-dessus  : Pompe A à 200 tours/minute et 30 degrés C ; en dessous pompe B à 200 tours/minute et 40 degrés C

Le rendement passe de 21 % à 13 500 kPa à 30 % à la même pression lorsque la température passe de 30 ͦC à 40 ͦC. En d’autres termes, une variation de température de 10 ͦC en fond de puits augmentera également le rendement de la pompe de 10 %. Le rendement de la pompe se manifeste physiquement en termes de capacité de la pompe ou la production qui peut être obtenue à la température souhaitée. 

Cette quantification peut être utilisée dans le procédé de drainage par gravité au moyen de vapeur (SAGD) où de la vapeur est injectée dans le puits pour réduire la viscosité du fluide (pétrole lourd et sables bitumineux). En quantifiant l’effet de la température sur le PCP, on peut augmenter l’efficacité de la pompe en injectant de la vapeur.

CONCLUSION

Le thermoplongeur fournit le transfert de chaleur nécessaire au fluide d’essai pour simuler la température que le PCP rencontrera au fond du puits. Ainsi, l’enregistrement précis de la température en fond de puits à l’aide de jauges de température ou d’outils d’enregistrement filaires fournira la température que le PCP rencontrera en service et qui pourra déterminer le « rendement de non gonflement » requis du système. Le « rendement de non gonflement » jouera un rôle crucial dans la durée d’exécution et les performances du PCP. 

Cependant, la température n’est pas le seul facteur qui peut augmenter l’efficacité du système. D’autres facteurs comprennent l’augmentation de la vitesse de rotation du rotor ; mais ces deux facteurs, l’augmentation de la vitesse et de la température ont des effets sur la durée de fonctionnement du PCP. La limite des PCP est la température maximale que les élastomères peuvent supporter avant de commencer à se dégrader. Les dimensions du thermoplongeur doivent être déterminées en fonction de la température maximale à laquelle l’élastomère du stator en PCP est soumis et de la taille du réservoir dans la partie principale du banc d’essai.