CA1072454A - Dispositif de filtration a bande trapezoidale et garnissage de billes de verre - Google Patents

Abstract

Dispositif de filtration pour tous effluents. Un tel dispositif composé de parois filtrantes successives, chacune étant constituée par une bande de section trapézoidale enroulée sur une surface cylindrique suivant une spirale de pas constant ménageant une fente continue, est caractérisé en ce que l'aire de la fente d'entrée d'une paroi est inférieure de 1 à 50 % à l'aire de la fente d'entrée de la paroi située en aval dans le sens de l'écoulement de l'effluent et en ce que deux parois successives sont séparées par un garnissage perméable aux fluides et inerte aux différents constituants de l'effluent tel que des billes de verre dur, ou autre matériau. De telles caractéristiques assurent aux crépines de production pour les puits d'hydrocarbure et d'eau les meilleures conditions de marche.

Description

7 ~ ~ 5 ~

L'invention a trait ~ un dispositif perfectionné de filtration permettant d'éviter tout colmatage de matériau filtrant et ainsi d'obtenir un fonctionnement de très longue durée spéciale- - -ment pour les crépines équipant les puits de produGtion d'eau ou d'hydrocarbures liquides ou gazeux.
On connait différents types de filtres utilisés dans les industries chimiques et alimentaires. La transposition9 voire l'adaptation de ces types de filtres pour réaliser des crépines destinées à assurer la production des formations aquif~res ou pétrolières dans les puits s'est révélée difficile et a conduit a des réalisations très impar~aites.
La dif~iculté majeure rencontrée dans le calcul des caractéristiques d'une crépine destinée à éviter l'irruption d'éléments inconsolidé provenant de la formation productive dans un puits et notammen-t dans les tubes de production et dans les équipements de fond et de surface, réside dans la connaissance de la granulométrie de la formation productive. Llappréciation de la granulométrie conduit à la détermination des dimensions des ori~ices de passage sur les parois filtrantes.
Il est rapidement apparu que pour éviter le colmatage - et ainsi assurer la longé~ité de l'installation de filtration il était nécessaire de retenir pour les ori~ices de passage une forme linéaire correspondant ~ des fentes de longueur importante par rapport ~ la largeur~ Le choix de la largeur de la fente est fonction de l'appréciation qui peut etre faite des dimensions des grains les plus représentés dans l'~ffluent solide de la formation.
Plusieurs mod~les de parois filtrantes, constituées par l'enroulement d'une bande métallique suivant une spirale sur une surface cylindrique et avec un pas constant, ont été proposés.
Le pas de la spirale est égal ~ la somme de la largeur de la bande et d'une distance constante qui constitue la largeur de la fente.

~7 Z ~5 ~
Afin d'éviter les coincements de particules et une sédimentation dans les fentes il a été préconisé avec succ~s de donner ~ la bande métallique une section trapézoidale, la largeur -- -de la bande se réduisant dans le sens de l'écoulement de l'effluent.
A~ec des crépines construites comme il vient d'être indiqué et comportant une seule paroi filtrante on obserre, pour - une largeur de fente -trop importante, e~fet d'une appréciation optimiste de la granulométrie, une irruption de sable dans le puits avec bouchage et arr~t rapide de la production, et pour une appréciation pessimiste de la granulométrie ayant conduit à
choisir ~ne largeur de ~ente trop faible~ des vitesses de passage très importantes de 1'e~fluent entrafnant des phénom~nes d'érosion et la d~térioration de la crépine.
Afin de pallier ces inconvé~ients, il a été proposé de disposer plusieurs parois filtrantes cylindriqu~ concentriques appartenant à 1'~n des modèles précédemment décrits. La largeur des fentes pour chaque paroi filtrante est inférieure à la largeur des fentes de la paroi ~iltrante qui l'entoure. Cette disposition doit conduire ~ un dép8t des sédiments suivant un classement déterminé par l'échelonnement des valeurs attribuées aux largeurs des fentes.
L'expérience ac~uise avec ce dernier type de crépine montre qu'avec u~ gradient de vitesse croissant ~ travers l'ensem-ble de la crépine le remplissage des intervalles entre les parois filtrantes va s'ef~ectuer de façon anarchique et que les pertes de charge très importantes9 qui vont appara~tre p provoqueront des bouchages rapides.
` `~ La présente invention permet de palier ces dif~icultés -et d'obtenlr un e~et de ~iltration efficacep en arretant la frac-tion la plus représentée des grains tout en évitant le dép8t des éléments dont le passage es~ acceptép et ainsi d'assurer une grande longévité au dispositif.

- 2 -., , .. . - .. . . . ~ , ., ~ ~ ., . .. .. : ,.. . .. . .. . ... .

Un dispositif de filtration pour tous effluents, suivant l'invention, composé d'une pluralite de parois fil-trantes dispo-sées successivement entre une enceinte contenant 1'ef~luent ~ -~iltrer et une enceinte contenant 1'e~fluent filtré, chaque paroi filtrante étant constituée par la juxtaposition, non jointive9 de bandes de section trapézoidale comportant une grande base située dans la ~ace d'entrée de la paroi ~iltrante, lesdites bandes étant séparées, sur la face d'entrée de la paroi filtrante, par des intervalles de largeur égale, ou fentes, constituant les aires d~entrée de l~e~fluent, la somme des dites aires constituant l'aire globale d'entrée d'une paroi filtrante, est caractérisé en ce que l'aire globale d'entrée d'une paroi filtrante est inférieure de 1 à 50 % à l'aire globale d'entrée de la paroi filtrante en aval dans le sens d'écoulement de l'effluent, et en ce que l'espace séparant deux parois ~iltrantes successives est occupé par un garnissage perméable aux ~luides et inerte aux différents cons~
tituants de l'effluent.
Dans les réalisations préférées, le garnissage occupant l'espace séparant deux paroi~ filtrantes successives est constituée de matériaux résistant a l'érosion et aux efforts de compression~
notamment de billes de verre dur dont le diamètre minimum est ~upérieur ~ la largeur des ~entes de la face d'entrée de la paroi filtrante rencontrée en second lieu par l'effluent.
Dans les réalisations permettant d'appliquer la filtra- -tion ~ un drainage radial-circulaire~ chaque paroi ~iltrante est constituée par une bande de section trapézoidale enroulée suiYant :`
une spirale avec un pas constant sur une sur~ace cylindrique~ le pas étant égal ~ la somme de la largeur de la grande base de la section trapézoidale et d'une distance constante, ladite distance - -constituant la largeur des fentes.
L'invention sera mieux comprise dans la description donnée ~ titre non limitati~ des di~positifs illustrés ~ l'aide :, , ., , . , .

` ~7Z4S~L

des figures suivan-tes :
Figure 1 - Exemple de granulométrie dlun sable de formation pétrolière Figure 2 - Paroi filtrante à enroulement en spirale (ar-t antérieur) Figure 3 - Paroi filtrante ~ enroulement (section droite) Figure 4 - Paroi filtrante d'un autre type (art antérieur) Figure 5 - Paroi filtrante d'un autre type (section droi-te) Figure 6 - Crépine avec plusieurs parois filtrantes (art antérieur) Figure 7 - Crépine avec plusieurs parois filtrantes (art antérieur) Figure 8 - Crepine suivant l'invention Figure 9 - Crépine suivant l'invention (détail) Figure 10 - Dispositif d'essai La figure 1 donne un diagramme de ~ranulométrie d'un sable de formation pétrolière, à seule fin de situer les diffi-cultés liées au rassemblement des données et à leur utilisation.
On trouve en ordonnée le cumul des pourcentages retenus en poids et en abscisse les diametres des grains.
On dispose très rarement d'échantillons représentati~s de la formation, qui devraient être fournis par un carottage continu.
Les échantillons de la formation provenant de carottage latéral à balle ont une signification ponctuelle de part leur - localisation et7 en admettant une bonne récupéra-tion,~une valeur statistique très faible, ils sont donc sans valeur réelle. Les différents diagrammes obtenus se situent à 17 intérieur ~'une zone .
A représentée sur la figure avec des hachures. Cette zone A
est limitée par deux courbes qui ont pour in-térêt de ~ournir -~
- chacune une appréciation de la granulométrie de la ~orma-tion. La courbe I procure une appréciation optimiste puisqu'à un pourcen- ~-tage cumulé en poids donné elle fait correspondre une dimension ma~Lmum du grain et la courbe II procure une appréciation pessimis-te puisque à un pourcentage cumulé en poids donné elle fait : .
_ 4 _ ' .
, : . -correspondre une dimension minimum du grain.
Lorsqu'une venue impor-tante de sable se produit dans un puits, le diagramme de granulométrie est donné par une courbe telle que III. Ce sable, ayant fait l'objet d'un classement, est non figuratif de la formation et ne peut être utilisé.
En pratique, pour la détermination des largeurs des fentes sur les surfaces de filtration, la courbe II pessimiste sera u-tilisée dans la mesure où la connaissance des matériaux qui ont conduit à sa contruction permet d'estimer qu'elle n'est pas exagérément pessimiste, comme le serait la courbe III.
Les valeurs caractéristiques généralement retenues correspondent aux cumulés des pourcentages retenus en poids de lo ~ ; 40 % et 70 % qui conduisent respectivement à trois valeurs , 4 ~ de diamètre de grain.
Les figures 2 et ~ donnent une représentation d'une crépine comportant une paroi filtrante constituée par l'enroule-ment en forme de spirale d'une bande 1 de section -trapézoidale, avec un pas constant (p).
La section trapézoidale comprend une grande base 3 et une petite base 3'. Le pas (p) est la somme de la largeur de la grande base 3 de la section trapézoidale et de la mesure (a) de la largeur dtune fente linéaire 4. ;-La bande est orientée de telle façon que la grande base de la section trapé~oidale se trouve sur le contour extérieur de la paroi filtrante 9 face d'entrée de l'effluent, Dans le sens de déplacement de l'eff1uent la largeur de la bande se réduit et la largeur de passage 5 entre deux sections de la bande 1 s'accroit d'autant. ~ -La bande prend appui sur un ensemble de tiges métalli-ques parall~les constituant une cage et sur lesquelles elle estfixée par soudure par points 7. Ainsi est assurée la rigidité
de l'ensemble.

~ , .

~ 7 ~ ~S 4 Un tube de production 8 crépiné ~ l'aide des fentes longitudinales 9 est repré~enté ~ l'intérieur de la crépine décrite l'aide de la figure 3.
Les figures 4 et 5 donnant une representation d'une crépine analogue ~ la précédente mais où 1'on remarque sur la bande ~ -1 ~ section trapézoidale des élargissements 10 latérau~ régulière-men-t espacés le long de la bande 1. Ces élargissements 10 dont l'épaisseur est égale à la largeur attribuée ~ la fente ont été
proposés dans le but de maintenir la largeur de la ~ente constante.
Une bande latérale 11 soudée ou un cordon de soudure latéral donne la cohésion à l'ensemble~ On trouve dans cette réalisation un tube de production 8 crépiné à l'aide de fentes longitudinales 9, disposé à l'intérieur de la crépine.
Les figures 6 et 7 donnent deux représentations d'une réalisation de crépine munie~ de plusieurs parois filtrantes cylindriques concentriques appartenant ~ l'un des modèles précé-demment décrits. Le modèle de paroi filtrante ici représenté est -celui qui a eté décrit ~ 1'aide des figures 2 et 3~ On remarque pour chaque paroi ~iltrante la section 1 d'une bande à section trapézoidale enroulée suiva~t une ~pirale a~ec un pas constant.
La section trapézoidale compcrte une grande base et une petite base. Le pas est égal ~ la so~me de la largeur de la grande base de la section trapézoidale et d'une distance constante. Ladite distance est la largeur d'une fente linéaire continue dont la surface constitue l'aire d t entrée de l'effluent dans la paroi ~iltrante.
La cr~pine représentée ~ 1'aide des figures 6 et 7 -~
comprend trois parois filtrantes concentriques A, B, C telles que les largeurs des fente~ correspondc~ntes a, b, c sont des mesures 0 répondant à l'inegalité.
a > b > c Dans ces conditions les aires d'entrée de A, B, C sont ,.. , ., . , , . ., : .. ,: :

~2~5fl~

des valeurs telles que Aire A ~ Aire B > Aire C
Sur le~ figures 6 et 7 les bandes trapézoidales enroulées en spirale pour A, B et C ont les mêmes sections, elles peuvent aussi avoir des sections différentes puisque les conditions imposées intéressent les largeurs des fentes et non les mesures de la grande base ou de la petite base de la section trapézoidaleO
Les espaces annulaires laissés entre les parois filtrantes A, B et C ont des largeurs de l'ordre de la grande dimension des bandes trapezoidales et sont laissés libres. Dans ces deux espaces annulaires sont disposées des tiges 6 métalliques paral-lèles constituant une cage et sur lesquelles la bande 1 est ~ixée par soudure par points.
Tel est le dispositif composé de plusieurs parois filtran-tes dans une disposition telle que les problèmes posés par l'utili-sation des crépines à paroi filtrante unique devaient ~tre sur-montés. En fait, ce dispositif, décrit à l'aide des ~igures 6 et 7, a donné lieu ~ des dif~icultés d'exploitation e-t notamment ~ ;
des colmatages rapides pour la plupart des formations sableuses.
La figure 8 donne la représentation dlun dispositi~ de filtration su~vant l'inventlon,pour tous effluents et notamment pour l'exploitation des formations aquifères et à hydrocarbures liquides ou gazeux.
Entre une enceinte I ~ontenant l'e~fluen~ ~ filtrer et une enceinte II contenant l'effluent ~iltré, le dispositif de filtration ou crépine C comporte deux parois filtr~ntes A et B
cylindriques et concentriques. La moiti~ gauche de la figure 8 montre une coupe de la crépine o~ llon trouve les sections des deux parois A et B. La figure 9 donne ~ne section agrandie de la coupe précédente.
Chaque paroi ~iltrante est constituée par ~e bande à
section trapézoidale, enroulée suivant une spirale avec un pa~ (p) .

1~729L~
.
constant La section trapézoidale comporte une grande base ~
et une petite base 3~; le pas (p) est la somme de la largeur de la grande base 3 de la section trapézoidale et de la mesure (a) V de la largeur d'~e lente linéaire 4. La bande 1 est orientée de telle façon que la grande base 3 de la section trapézoidale se trouve sur le contour extérieur de la paroi filtrante, ce contour extérieur constituant la face d'entrée de l'effluent~ Dans le sens du déplacement de l'effluent, la largeur de la bande se rédui-t et la largeur du passage, entre deux sections successives de la bande 1, s'accro~t d'autant.
La bande 1 prend appui sur un ensemble de tige métalliques 6 constituant u~e cage et sur lesquelles ladite bande est ~ixée par soudure par points.
Chacune des parois ~iltrantes A et B est donc du modèle qui a été décrit plus haut à 1'aide de la figure 2.
Les deux parois filtrantes A et B sont constituées ~ ~ -l'aide de bandes à section trapézoidales de mêmes caractéristiques ;~-mais qui pourraient présenter des difPI~rences:en effet les parois ~iltrantesson~ caractérisees par l'aire globale de filtration~
2Q produit, pour chacune, de la largeur de la fente soit ~a) pour la paroi A et (b) pour la paroi B, et de la longueur de la fente, ~ de telle sorte que l'aire globale de filtration de B est supérieure c ~ à l'aire globale de filtration de ~ de 1 à 50 % et dans le cas -des figures 8 et 9 de ~0 %.
Les deux parois filtrantes A et B sont séparées par un --espace annulaire 12 dont l'épaisseur est importante par rapport à l'épaisseur des parois A et B, par exemple, sur les figures 8 et 9, de six fois l'épaisseur des parois A et B. L'espace ~ annulaire 12 est rempli d'un matériau perméable aux fluides et ~; ;
inerte aux différents constituants de l'effluent. Dans la réalisa-tion des ~igures 8 et 9 ledit matériau est constitué de billes de verre dur dont le diamètre minimum est supérieur ~ la largeur des ~entes de la face d'entrée de la paroi filtrante rencontrée en second lieu par l'effluent, c'est-à-dire de la paroi B!
L'espace annulaire ainsi rempli d'un matériau perméable joue un role de régulateur et en quelque sorte de tranquillisant pour l'écoulement de l'effluent.
L'ensemble des deux parois filtrantes cylindriques con-centriques A et B est fixé par leurs extrémités sur deux flasques annulaires 13 et 14 elles-m8mes fixées sur un tube de production 8 crépiné au droit des parois filtrantes par le moyen d7ori~ices :.
régulièrement répartis 15.
Dans une application de crépine C les parois A et B ont .
été realisées avec des bandes enroulées en hélice avec une épai ,~-:
seur de fente linéaire continue de 0,30 mm pour A et 0963mm pour B, ce qui donne des aires globales de filtration de 695 cm2 pour A et 910 cm2 pour B~ l'ensemble étant ~monté sur un tube de 115 mm de diamètre réguli~rement percé de trous de 20 mm de diam~tre.
L'espace annulaire est rempli de billes de verre haute résistance de 1,50 mm à 1,70 mm de diamètre. . : :
Comme il est représenté sur la figure 10, la crépine C a été placée dans un sas haute pression 16 contenant un massif de :~ :
sable 17 de granulométrie donnée, correspondant sensiblement ~ la courbe II de la ~igure I.
Un effluent triphasique 18 eaù, gaz et gazoline, ~ 60C
et 90 bars a été mis en circulation ~ traver~ l'ensemble du massif de sable et le dispositi~ de filtration C en cours d'essais.
Les quantités de sable récupérées en aval de la crépine sont toujours restées tr~s faibles, en valeur cumulée~
10 cm3 apr~s 6 jours d'essais .....
60 cm3 après 12 jours d'essais 410 cm3 apr~s 88 jours d~essais et un passage dlenviron 8.000.000 Nm3 de gaz soit environ 100.000 m3 dans les conditions de l'expérience.

_ g _ , ~ .

~72454~

Des crépines pour l'exploitation de l'eau, des hydro-carbures ou de la vapeur, des filtres pour usages industriels, réalisés suivant les caractéristiques de l'invention, procurent des conditions de marche particulièrement s~res et économiques.

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Claims (3)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Dispositif de filtration pour tous effluents composé
d'une pluralité de parois filtrantes disposées successivement entre une enceinte contenant l'effluent à filtrer et une enceinte contenant l'effluent filtré, chaque paroi filtrante étant consti-tuée par la juxtaposition, non jointive, de bandes de section trapézoidale comportant une grande base située dans la face d'en-trée de la paroi filtrante, lesdites bandes étant séparées, sur la face d'entrée de la paroi filtrante, par des intervalles de largeur égale ou fentes, constituant les aires d'entrée de l'ef-fluent, la somme desdites aires constituant l'aire globale d'entrée d'une paroi filtrante, caractérisé en ce que l'aire globale d'en trée d'une paroi filtrante est inférieure de 1 à 50 % à l'aire globale d'entrée de la paroi filtrante en aval dans le sens d'écoulement de l'effluent, et en ce que 1'espace séparant deux parois filtrantes suceessives est occupé par un garnissage permé-able aux fluides et inerte aux différents constituants de l'ef-fluent.

2. Dispositif de filtration suivant la revendication 1, dans lequel le garnissage occupant l'espace séparant deux parois filtrantes successives est constitué de matériaux résistant à
l'érosion et aux efforts de compression, notamment de billes de verre dur dont le diamètre minimum est supérieur à la largeur des fentes de la face d'entrée de la paroi filtrante rencontrée en second lieu par l'effluent.

3. Dispositif de filtration suivant la revendication 1, dans lequel chaque paroi filtrante est constituée par une bande de section trapézoidale, enroulée suivant une spirale avec un pas constant sur une surface cylindrique, le pas étant égal à la somme de la largeur de la grande base de la section tra-pézoidale et d'une distance constante, ladite distance cons-tituant la largeur des fentes.