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"Installation à haute fréouence pour ;.uits de pétrole"
La présente invention se rapporte de façon générale à l'extraction de produits pétroliers contenus dans des réservoirs souterrains et, plus particulièrement a. l'utilj- sation d'énergie à haute fréquence pour améliorer l'extraction de ces produits, notamment dans le cas des puits épuisas ou partiellement épuisés.
L'extraction du pétrole ou des autres produits pétroliers contenus dans les réservoirs souterrains se fait habituellement par forage de puits qui conduisent à des couches pétrolifères et qui permettent aux pressions naturelles régnant dans la formation productrice de pétrole de refouler le fluide dans le forage (trou de forage) du puits, cù on peut le recueillir commodément. Dans certains réservoirs de pétrole et, en particulier dans les réservoirs partiellement épuisés, il peut se produire qu'on ne dispose pas d'une pression natu- elle suffisante pour refouler l'huile dans le forage avec un débit suffisant pour que l'opération soit rentable du point de vue économique.
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Lorsque ces procédés ne,'peuvent plus être utilisés pour assurer un débit d'extraction économique, on applique fréquemment des procédés de récupération secondaire tels que l'injection d'eau, de gaz, d'air, ou d'une combinaison de ces matières dans la formation, pour accroître la pression. D'au- tres procédés qui ont été utilisés sont, par exemple, l'appli- cation d'énergie calorifique à la formation, par voie chimique ou électrique, ou par combustion directe du pétrole ou de zones contenant du gaz.
L'effet de ces procédés par chauffage est de réduire la viscosité du fluide et, par ce moyen, d'accroître le débit du fluide, selon la loi de Darcy qui est reproduite ci-dessous :
EMI2.1
eù dQ est le débit du fluide, A est la section moyenne de la formation perméable, K est la perméabilité de la formation, dP est la différence de pression qui force le fluide à s'écou- ler sur la distance dL et/u est la viscosité du fluide.
On a constaté que les procédés par combustion directe entraînent une contamination du pétrole brut ou des gaz en présence. Les procédés par chauffage chimique sont, d'une façon générale, impropres à fournir une quantité de chaleur suffisante pour donner des résultats satisfaisants.
Les procédés de chauffage par résistance électrique se sont révélés mal appropriés du fait que la transmission de la chaleur à la couche pétrolifère s'effectue principalement par conduction dans l'huile contenue dans la couche pétrolifère elle-même. Le taux de conduction de chaleur est très faible et, étant donné que le pétrole est continuellement remonté à la surface, une grande quantité de la chaleur fournie est continuellement évacuée de la formation pétrolifère et, de ce fait, empêchée de pénétrer dans la couche.
La présente invention comprend une installation servant à fournir une énergie à haute fréquence à des forma-
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tions pétrolifères souterraines dans lequel la source d'énergie à fréquence radio est placée à l'intérieur même du forage, à proximité du réservoir producteur de pétrole. La construction selon l'invention constitue un dispositif de chauffage très efficace qui est agencé de façon à utiliser sensiblement la totalité de l'énergie disponible de deux façons. Tout d'abord, l'énergie à haute fréquence fournie par la source génératrice de fréquence radio est contrainte à pénétrer directement dans la formation pétrolifère sans être absorbée à un degré quel- conque par le pétrole brut ou les gaz présents dans le puits et dans le réservoir environnant.
Cette énergie à haute fré- quence pénétrante chauffe la formation pétrolifère et, par ce moyen, provoque une élévation de la température dans le pétrole et les gaz qui imprègnent cette formation. En deuxième lieu, l'énergie thermique produite pendant.le fonctionnement des générateurs d'énergie à haute fréquence est également utilisée pour chauffer directement le pétrole dans la région où ce dernier pénètre dans le conduit de la pompe pour être refoulé vers la surface. Cette combinaison de la pénétration de l'énergie à haute fréquence et de la transmission de l'énergie thermique assurent une plus forte réduction de la viscosité et, par ce moyen, un plus grand débit de la circulation du fluide qu'on ne pouvait l'obtenir jusqu'à présent pour une dépense donnée de puissance absorbée.
Le dispositif générateur d'énergie à haute fré- quence selon l'invention est logé dans une capsule sensiblement tubulaire fixée à l'extrémité inférieure de la colonne produc- trice du puits de pétrole. Une partie de la capsule est réalisée en acier inoxydable et une autre partie en matière plastique fortement renforcée. Dans une forme particulière de réalisation e l'invention, plusieurs générateurs de haute fréquence, par exemple des magnétrons, sont montés avec un certain écartement vertical, dans la partie en matière plastique de la capsule.
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Les magnétrons reçoivent leur tension de fonctionnement par l'intermédiaire de câbles qui sont reliés à une source de fourniture de puissance stationnaire, fixée à la surface, à proximité de la tête du puits. La puissance de sortie à haute fréquence fournie par les magnétrons est rayonnée par des cavités radiantes, spécialement conçues, prévues dans la partie en matière plastique de la capsule, pour assurer une transmis- sion efficace de l'énergie à la formation pétrolifère. La partie en matière plastique est composée d'une matière qui est sensiblement transparente à l'énergie à haute fréquence.
Il est prévu un système de refroidissement par circulation de fluide pour transporter l'énergie thermique engendrée par les magnétrons à un échangeur de température situé à proximité du point auquel l'huile pénètre dans la colonne productrice pour être refoulée.
Un c8ne terminal en acier inoxydable ferme l'extrémité inférieure de la capsule.
Le récipient dans lequel les magnétrons sont montés peut être composé de plusieurs tronçons séparés, chaque tronçon contenant un seul ensemble magnétron-cavité radiante de sorte qu'on peut disposer le long de l'axe longitudinal du forage le nombre voulu de magnétrons, en fonction de l'applica- tion particulière voulue.
On prévoit un dispositif de commande approprié pour actionner l'appareil générateur d'énergie à haute fréquence partout où les conditions de la formation pétrolifère permettent l'application de cette énergie pour assurer un accroissement du débit du fluide.
La structure selon l'invention peut être utilisée dans des puits à forage non tubé ou des puits à forage tubé.
Pour assurer une transmission appropriée de l'énergie à haute 'fréquence, les puits à forage tubé peuvent utiliser des gainages en matière transparente à l'énergie à haute fréquence. Le fonctionnement détaillé de la présente intention et les
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avantages qui en résultent seront décrits plus facilement à l'aide du dessin annexé dans lequel : - la Fig. 1 est une vue schématique de la struc- ture d'un puits de pétrole utilisant l'installation de chauf- fage à haute fréquence selon l'invention; - la Fig. 2 est une vue extérieure d'une forme de réalisation de la capsule chauffante à haute fréquence selon l'invention, qui est utilisée dans le puits de pétrole selon la Fig. 1;
- la Fig. 3 est une vue en perspective et en coupe partielle d'une partie génératrice de haute fréquence de l'installation de chauffage à haute fréquence des Fig. et 2; - la Fig. 4 est une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la cavité radiante de la structure de la Fig. 3 ; - la Fig. 5 est un schéma du câblage et du circuit d'échange de chaleur utilisés dans l'installation de chauffage par haute fréquence des Fig. 1 et 2.
La Fig. 1 montre un puits de pétrole 10 du type à forage non tubé bien connu comprenant un forage 11 muni d'un gainage en acier 12 qui s'étend de la surface de la terre à la formation pétrolifère 13. Une canalisation de pompage ou colonne de production 14 est montée concentriquement à l'inté- rieur du gainage 12 et s'étend vers le bas jusqu'à la zone supérieure du réservoir de pétrole non tubé 16. L'extrémité supérieure de la canalisation de pompage 14 s'étend dans la tête 15 du puits qui est au sol. La parti,; supérieure du puits qui est proche de la tête est représentée sur la Fig. 1A à échelle légèrement plus grande que celle de la partie infé- rieure représentée par la Fig. 1B, de façon à permettre de décrire plus clairement la tête 15 dans les paragraphes suivants.
Une capsule chauffante à haute fréquence 18, qui
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constitue une forme de réalisation de l'invention est fixée à 1.'extrémité inférieure de la canalisation de pompage 14. La capsule chauffante à haute fréquence 18 contient un appareil générateur de haute fréquence, un circuit d'échange de chaleur et des câbles électriques et supporte métalliques qui leur sont associés, tous ces éléments étant décrits de façon plus détail- lée en se référant aux Fig. 2 à 4. Une source de puissance 19 posée sur le sol est située à proximité de la tête 15 du puits.
La source de puissance 19 débite un courant redressé à haute tension et une tension alternative de chauffage pour alimenter l'appareil générateur de haute fréquence, ainsi que des tensions auxiliaires servant à actionner des appareils électriques et électro-mécaniques associés qui peuvent être utilisés dans la capsule 18. Ces tensions sont amenées d'une source de tension 19 à l'appareil contenu dans la capsule par un câble de trans- port de haute tension continue 20 et un câble de transport de basse tension alternative 21, qui descendent dans le forage 11.
Les câbles 20 et 21 peuvent être fixés sur la canalisation de pompage 14 par des brides 22 espacées à des écartements appro- mation productrice 13 pries sur la longeurde forage. La for-7- qui dont l'épaisseur peut varier dans des limites relativement grandes, est généra- lement composée d'un noyau poreux, tel que du calcaire ou du grès, imprégné de pétrole brut à l'état gazeux ou liquide. Le pétrole liquide est ramené à la surface à travers la canalisa- tion 14, au moyen d'un appareil de pompage classique qui comprend une pompe 67 reliée à une tige de pompage 68 qui s'étend de bas en haut jusqu'à un mécanisme moteur alternatif (non représenté), ainsi qu'il est bien connu dans la technique.
Pour éviter les déplacements latéraux du tube de pompage 64 et de la capsule 18 à l'intérieur du puits 11, des entretoises de centrage 23 du type classique sont disposées à des emplacements appropriés le long du forage. Pour éviter un déplacement longitudinal du tube de pompage et de la capsule,
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il est prévu un dispositif d'ancrage 24 placé à une distance appropriée au-dessus de la capsule 18. Le dispositif d'ancrage 24 comporte plusieurs griffes mobiles, disposées à chaque extrémité du carter d'ancrage 66. Lorsqu'on a descendu l'ensemble constitué par le tube de pompage et la capsule jusqu'à leur position correcte par rapport à la formation pétrolifère 13, on fait tourner cet ensemble à l'intérieur du puits.
Cette rotation a pour effet de provoquer une pression sur les griffes 25, pression exercée vers l'extérieur par des cames (non représentées) prévues à l'intérieur du carter d'ancrage 66, de sorte que des dents situées dans les surfaces externes des griffes entrent en contact et mordent dans les parois internes du gainage 12 pour maintenir le tube et la capsule solidement en place dans le puits. Cette construction est généralement bien connue des techniciens de cette branche.
Pour faciliter le montage de l'ensemble d'ancrage sur le tube 14 et éviter d'endommager les câbles 2C et 21 pendant ce montage, on utilise deux liaisons à brides 26 à chaque extrémité de l'ensemble d'ancrage 24. Le câble à haute tension 20 pénètre dans le carter d'ancrage 66 à travers un trou foré obliquement 27 dans la partie supérieure conique de ce carter et il traverse le tube central du carter et sort par l'autre extrémité à travers un deuxième trou 28, foré oblique- ment dans la partie inférieure conique du carter. Le câble à basse tension 21 passe dans des ouvertures prévues entre les griffes 25.
A l'extrémité supérieure du forage 11, il est prévu une tête de puits 15 qui sert à débiter dans des réci- pients de stockage appropriés les produits pétroliers bruts extraits par pompage du réservoir pétrolifère jusqu'à la surface. La tête de puits 15 comporte un bâti 29 présentant une ouverture circulaire à son extrémité inférieure, de sorte que le tube de pompage 14 peut la traverser. Un ensemble de
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griffes 30 placées à l'intérieur de ce bâti 29 entoure le tube de pompage 14 ainsi qu'il est bien connu dans la technique.
Deux tubes 31 qui débouchent dans le bâti 29 servent à évacuer les gaz de pétrole qui remontent vers la surface en provenance de la formation pétrolifère 13. Pour empêcher les gaz de s'échapper à l'extérieur de la face supérieure de la tête du puits 15, on dispose une garniture d'étanchéité 32 autour du tube de pompage 14 au-dessus des griffes 30. Cette matière d'étanchéité 32 est maintenue en place par un couvercle en laiton 33, la garniture d'étanchéité et le couvercle étant comprimés par un chapeau de tête de puits 34 qui est issé très serré sur le bâti 29.
Des ouvertures appropriées sont; percées à travers le couvercle 33, le joint 32, les griffes 3C et le carter 29 pour permettre de faire passer les câbles 20 et 21 et le tube de pompage 14 de haut en bas au travers de la tête du puits 15 pour pénétrer dans le forage 11.
La Fig. 2 montre l'extérieur d'une capsule de chauffage par haute fréquence 18, qui est reliée à la partie inférieure d'une colonne de production 14 par une liaison à brides 35. La partie supérieure de la capsule 18 comprend un tube en acier inoxydable 36, ayant le même diamètre que le tube de pompage 14 et percé de perforations 37 qui permettent aux produits pétroliers de pénétrer dans le tube de pompage 14, comme on le dévrit plus bas de façon plus détaillée. Le cylindre supérieur 36 est muni intérieurement de serpentins d'échange de chaleur représentés sur la Fig. 4. Des câbles 20 et 21 courent le long et à l'extérieur du cylindre 36. Le tronçon 88 de la partie inférieure de la capsule 18 est réalisé en acier inoxy- dable et présente un diamètre supérieur à celui du cylindre 36.
Le tronçon 88 contient une pompe servant à faire circuler le fluide utilisé dans le circuit d'échange de chaleur de la capsule. Dans la forme particulière de réalisation de la Fig. 2, on a représenté trois tronçons de chauffage à haute fréquence 38.
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Ces tronçons contiennent des générateurs de haute fréquence tels que des magnétrons ou autres dispositifs capables de produire une énergie électro-magnétique à haute fréquence. La partie de la capsule qui contient les générateurs d'énergie à haute fréquence est réalisée en une matière plastique appro.- priée telle que la matière dite "Fiberglas", qui laisse passer l'énergie à haute fréquence à la formation pétrolifère 13 sans perte. Selon l'invention, on peut donc utiliser n'importe quel nombre de tronçons de chauffagc par haute fréquence 38 pour l'application particulière voulue. Un cône terminal en acier inoxydable 39 est fixé sur le tronçon inférieur contenant un magnétron pour terminer la capsule.
On donne ci-dessous, dans les paragraphes suivants et en regard des Fig. 3 et 4, des descriptions d'un exemple de réalisation d'un des tronçons à magnétrons selon l'invention et des circuits de câbles et d'échange de chaleur de la capsule.
La Fig. 3 montre là structure interne d'un tronçon générateur de haute iréquence 38 de la capsule 18. Chicun des tronçons générateurs de haute fréquence utilisé dans la capsule est construit sensiblement de la même façon que celui repré- senté sur la Fig. 3. Les tronçons 38 constituant des magnétrons sont logés à l'intérieur de la partie en matière plastique de la capsule 18 qui est représentée sur la Fig. 3 sous la forme d'une coquille en matière plastique 69. Chaque tronçon comprend des structures en aluminium 70 et 71 qui sont assemblées par une liaison à brides 72. L'extrémité supérieure de la struc- ture 70 comprend également une bride d'assemblage 80 qui assemble cette structure au tronçon précédent situé immédiate- ment au-dessus.
L'extrémité inférieure de la structure 71 comporte une bride d'assemblage pleine 89 utilisée pour assem- bler cette structure au tronçon suivant disposé immédiatement au-dessous. La bride pleine 89 s'oppose à la pénétration de 1 'énergie à haute fréquence dans le tronçon suivant situé
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immédiatement au-dessous du tronçon représenté. Chacune des liaisons par brides comporte sur sa périphérie, une série d'encoches 73, pour permettre aux câbles électriques et aux tubes du circuit d'échange de chaleur de descendre le long de la capsule. Le tronçon inférieur est réuni au cône terminal 39.
Un transformateur de chauffage 40, comprenant une paire de bornes d'entrée (non représentée) auxquelles sont reliés des conducteurs 74 et 75 du câble à basse tension alternative 21, est monté sur la structure 70 au moyen d'équerres 47 boulonnées sur la structure 70 et sur le transformateur 40. Deux bornes de sortie 76 et 77, montées à l'extrémité inférieure du trans- formateur de chauffage 40 sont reliées à des bornes 41 et 42 d'un générateur cathodique par deux conducteurs 78 et 79. Une enceinte sous vide 44 qui isole la cathode est représenté sous une forme présentant des nervures de refroidissement 45.
La partie anode 48 du magnétron est entourée par un aimant permanent 49 et comporte une antenne émettrice 50 qui s'étend à partir de son extrémité inférieure pour pénétrer à l'intérieur d'une enceinte sous vide diélectrique 82. L'aimant est maintenu en place à chaque extrémité par des blocs de caoutchouc 51 qui servent à s'opposer aux chocs ou vibrations accidentels du magnétron. L'antenne 82 émet dans une cavité radiante 52 qui constitue la partie inférieure de la structure intérieure en acier inoxydable 71. La cavité radiante 52 présente plusieurs fentes longitudinales 53 qui rayonnent l'énergie à haute fréquence émise à travers la coquille en matière plastique 59 de la capsule 18.
Dans cette forme particu- lière de réalisation, les fentes 53 sont réparties de façon sensiblement symétrique sur la périphérie de la cavité radiante 52.
La cavité 52 et les fentes 53 constituent une structure résonnante servant à produire l'énergie radiante voulue. Pour assurer la transmission de l'énergie radiante à
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la formation pétrolifère à travers l'ensemble longitudinal de fentes 53 représenté, il est prévu un ensemble de sondes 85 qui font saillie vers l'intérieur en direction du centre de la cavité 52. Il est souhaitable que la transmission d'énergie soit rendue aussi efficace que possible grâce à une correspon- dance appropriée d'impédance entre le dispositif radiant et la formation pétrolifère dans laquelle l'énergie est émise. La correspondance des impédances dépend généralement des dimen- sions de chaque fente et de la composition des matières présentes dans la formation.
On peut utiliser une méthode empirique pour déterminer les dimensions de fente qu'on peut utiliser, cette méthode consistant à émettre de l'énergie du générateur de haute fréquence du dispositif dans un échantillon de la matière qu'on s'attend à trouver dans le fonctionnement réel de l'appareil, et à dterminer par ce moyen les valeurs optimales de dimension de fente en prenant pour base les mesures expérimentales de l'énergie obtenue par ce moyen.
Un câble à haute tension continue 20 peut être relié directement à la cathode du magnétron ou encore être relié, comme représenté, à la borne appropriée 76 du trans- formateur, le courant tant conduit de là à la cathode par un conducteur 78.
Le circuit d'échange de chaleur de la capsule est essentiellement un ensemble de tubes reliés en série, au travers desquels on fait circuler un réfrigérant approprié (représenté et décrit plus clairement en se référant à la Fig. 5). Sur la Fig. 3, le liquide refroidi est refoulé vers le bas à travers la conduite 56 représentée à gauche et il pénètre dans la partie anode à droite. Le réfrigérant circule autour de l'anode et en sort par une conduite 79, comme représenté, d'où il est envoyé vers le bas, au tronçon suivant.
Une conduite de retour 57 ramène directement le réfrigérant chauffé du magnétron le plus inférieur à l'échangeur de
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chaleur logé dans le tronçon 36 de la capsule.
Les circuits de câbles et de canalisations d'échange de chaleur sont représentas plus clairement sur le schéma de la Fig. 5. Sur cette figure sont représentés seulement quatre magnétrons 58 à 61, espacés verticalement, bien qu'on puisse utiliser n'importe quel nombre de magnétrons, en fonc- tion de l'épaisseur de la couche pétrolifère à chauffer. Le câble de haute tension 20 est agencé de façon à obntenir plusieurs conducteurs de haute tension non reliés à la terre, la mise à la terre nécessaire étant assurée par la structure métallique de la canalisation de pompage et de la capsule.
Dans cette forme particulière de réalisation, les magnétrons sont agencés de telle façon que chaque paire successive de magnétrons soit alimentée er parallèle à partir de l'un de cet ensemble de conducteurs.à haute tension contenus dans le câble
20. Par exemple, les magnétrons 58 et 59 sont alimentés en haute tension par le conducteur à haute tension 62 et les magnétrons 60 et 61 sont alimentés en parallèle à partir du conducteur à haute tension 63. Le câble 21 sert à fournir une tension excitatrice provenant des transformateurs de chauffage à courant alternatif 40. Dans la forme de réalisation repré- sentée, tous les transformateurs de chauffage associés aux magnétrons sont alimentés en parallèle à partir du seul câble à tension alternative 21 à deux conducteurs.
Le circuit d'échange de chaleur comprend un ensemble de conduites branchées en série, dans lesquelles le fluide refroifi descend par la conduite 56 dans la partie anode des premiers magnétrons et, de là, gagne la partie anode du magnétron suivant et ainsi de suite. La conduite de retour 57 ramène le fluide chauffé au serpentin d'échange de chaleur 64 placé dans le cylindre perforé 36 de la capsule 18. Un mécanisme de pompage approprié 65 sert à faire circuler le fluide de refroidissement dans tout le cirduit fermé de refroidissement. Le réfrigérant
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utilisé peut être de l'eau ou tout autre fluide approprié à un tel usage.
Il est généralement avantageux que l'atmosphère régnant dans la capsule soit de nature à éviter sensiblement toute formation d'humidité et à réaliser une isolation électri- que relativement bonne. A cet effet, on utilise dans la capsule une atmosphère d'azote sensiblement pur.
Ainsi qu'il ressort des Fig. 1 à 4, l'application des tensions de fonctionnement aux magnétrons se traduit par un rayonnement d'énergie à haute fréquence émise par les cavités radiantes 52 associées aux divers magnétrons et espa- cées verticalement, dans la formation pétrolifère 13. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, on a constaté qu'on peut utiliser une fréquence appropriée d'environ 2.500 MHz.
Les produits pétroliers présents dans le trou de forage du puits et qui imprègnent la formation absorbent très peu de l'énergie à haute fréquence, qui pénètre la formation et dont sensiblement la totalité est absorbée par la roche magàsin.
L'élévation de température à l'intérieur de la formation provoque une chute de là viscosité des produits pétroliers et, par conséquent augmente leur vitesse d'écoulement entre la formation et la colonne de production lorsqu'ils pénètrent dans les perforations 37 pratiquées à la partie inférieure 36 de la capsule 18. Le pétrole est encore chauffé par les serpentins d'échange de chaleur 64 sur lesquels il passe et il se produit une nouvelle réduction de la viscosité du pétrole.
Cette réduction supplémentaire de la viscosité, qui est due à l'application d'énergie thermique au pétrole brut assure un nouvel accroissement de sa vitesse d'écoulement. On peut voir que le dispositif selon l'invention utilise à la fois l'énergie à haute fréquence et l'énergie thermique engendrées par les magnétrons pour augmenter la vitesse d'écoulement des produits étroliers bruts en direction de la surface. Il est évident
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qu'on peut déterminer la vitesse d'écoulement du fluide en déterminant la grandeur de l'énergie à haute fréquence fournie et les durées pendant lesquelles les générateurs d'énergie à haute fréquence sont en fonctionnement.
Il est également évident que l'installation de chauffage par haute fréquence et selon l'invention peut être utilisé dans une structure de puits de pétrole à forage tubé.
Dans cette application, l'ouverture débouchant dans la formation pétrolifère 13 peut être gainée au moyen d'un gainage en matière plastique très résistant et perforé et qui soit transparente à l'énergie à haute gréquence. Selon une variante, le trou de forage peut être gainé au moyen d'un gainage en acier inoxydable comportant des ouvertures ou fentes de sortie des radiations qui soient disposées de façon appropriée, pour permettre la pénétration de l'énergie dans la formation pétrolifère.
La forme particulière de réalisation décrite et représentée en regard des Fig. 1 à 5 ne constitue pas le seul mode possible de réalisation de l'invention. L'homme de l'art pourra lui apporter des modifications tout en restant dans le domaine de l'invention.
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"High frequency installation for; petroleum wells"
The present invention relates generally to the extraction of petroleum products contained in underground reservoirs and, more particularly to a. the use of high frequency energy to improve the extraction of these products, especially in the case of exhausted or partially exhausted wells.
The extraction of petroleum or other petroleum products contained in underground reservoirs is usually done by drilling wells which lead to oil layers and which allow the natural pressures prevailing in the oil-producing formation to force the fluid back into the borehole (hole borehole) from the well, where it can be collected conveniently. In some petroleum reservoirs, and particularly in partially depleted reservoirs, it may occur that sufficient natural pressure is not available to force the oil into the borehole at a sufficient rate for the operation. is profitable from an economic point of view.
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When these methods can no longer be used to provide an economical extraction rate, secondary recovery methods such as the injection of water, gas, air, or a combination of these are frequently applied. materials in training, to increase the pressure. Other methods which have been used are, for example, the application of heat energy to the formation, chemically or electrically, or by direct combustion of petroleum or gas-containing zones.
The effect of these heating processes is to reduce the viscosity of the fluid and, by this means, to increase the flow rate of the fluid, according to Darcy's law which is reproduced below:
EMI2.1
where dQ is the flow rate of the fluid, A is the mean section of the permeable formation, K is the permeability of the formation, dP is the pressure difference which forces the fluid to flow over the distance dL and / u is the viscosity of the fluid.
Direct combustion processes have been found to result in contamination of the crude oil or gases present. Chemical heating processes are generally unsuitable for providing a sufficient amount of heat to give satisfactory results.
Electric resistance heating methods have proved to be unsuitable because the transmission of heat to the petroleum layer takes place mainly by conduction in the oil contained in the petroleum layer itself. The rate of heat conduction is very low, and as the oil is continually rising to the surface, a large amount of the supplied heat is continually removed from the oil formation and therefore prevented from entering the bed.
The present invention includes an installation for supplying high frequency energy to training devices.
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Subterranean petroleum systems in which the radio frequency energy source is placed inside the borehole itself, near the petroleum producing reservoir. The construction according to the invention constitutes a very efficient heating device which is arranged to use substantially all of the available energy in two ways. First, the high frequency energy supplied by the radio frequency generating source is forced to enter the oil formation directly without being absorbed to any degree by the crude oil or gases present in the well and in the oil. the surrounding reservoir.
This penetrating high frequency energy heats the oil formation and thereby causes a rise in temperature in the oil and gases that permeate this formation. Second, the thermal energy produced during the operation of the high frequency power generators is also used to directly heat the oil in the region where the latter enters the pump duct to be returned to the surface. This combination of the penetration of high frequency energy and the transmission of thermal energy ensures a greater reduction in viscosity and thereby a greater rate of flow of the fluid flow than could be achieved. 'obtain so far for a given expenditure of absorbed power.
The high frequency energy generating device according to the invention is housed in a substantially tubular capsule fixed to the lower end of the producing column of the oil well. Part of the capsule is made of stainless steel and another part of highly reinforced plastic. In a particular embodiment of the invention, several high frequency generators, for example magnetrons, are mounted with a certain vertical spacing, in the plastic part of the capsule.
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The magnetrons receive their operating voltage through cables which are connected to a stationary power supply source, fixed to the surface, near the wellhead. The high frequency output power provided by the magnetrons is radiated through specially designed radiant cavities provided in the plastic part of the capsule to ensure efficient transmission of energy to the oil formation. The plastic part is made of a material which is substantially transparent to high frequency energy.
A circulating fluid cooling system is provided to transport the thermal energy generated by the magnetrons to a temperature exchanger located near the point at which the oil enters the producing column to be discharged.
A stainless steel terminal cone closes the lower end of the capsule.
The container in which the magnetrons are mounted can be made up of several separate sections, each section containing a single magnetron-radiant cavity assembly so that the desired number of magnetrons can be arranged along the longitudinal axis of the borehole, depending on of the particular application desired.
A suitable control device is provided to actuate the high frequency power generating apparatus wherever the conditions of the oil formation permit the application of this energy to ensure an increase in the flow rate of the fluid.
The structure according to the invention can be used in non-cased wells or cased wells.
To ensure proper transmission of high frequency energy, cased wells can use sheaths of material transparent to high frequency energy. The detailed operation of this intention and the
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advantages which result therefrom will be described more easily with the aid of the appended drawing in which: FIG. 1 is a schematic view of the structure of an oil well using the high frequency heating installation according to the invention; - Fig. 2 is an exterior view of one embodiment of the high frequency heating capsule according to the invention, which is used in the oil well according to FIG. 1;
- Fig. 3 is a perspective view in partial section of a high frequency generating part of the high frequency heating installation of FIGS. and 2; - Fig. 4 is a sectional view along line 4-4 of the radiant cavity of the structure of FIG. 3; - Fig. 5 is a diagram of the wiring and the heat exchange circuit used in the high frequency heating installation of FIGS. 1 and 2.
Fig. 1 shows an oil well 10 of the well known uncased borehole type comprising a borehole 11 provided with a steel cladding 12 which extends from the surface of the earth to the oil formation 13. A pumping pipe or column of production 14 is mounted concentrically within the cladding 12 and extends downward to the upper region of the uncased petroleum reservoir 16. The upper end of the pumping line 14 extends into the tank. head 15 of the well which is on the ground. The party; upper part of the well which is close to the head is shown in FIG. 1A to a scale slightly larger than that of the lower part shown in FIG. 1B, so as to allow the head 15 to be described more clearly in the following paragraphs.
A high frequency heating capsule 18, which
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constitutes one embodiment of the invention is attached to the lower end of the pumping pipe 14. The high frequency heating capsule 18 contains a high frequency generator apparatus, a heat exchange circuit and electric cables. and supports associated metal, all of these elements being described in more detail with reference to Figs. 2 to 4. A power source 19 placed on the ground is located near the head 15 of the well.
The power source 19 delivers a high voltage rectified current and an alternating heating voltage to supply the high frequency generator apparatus, as well as auxiliary voltages for operating associated electrical and electro-mechanical apparatus which can be used in the generator. capsule 18. These voltages are brought from a voltage source 19 to the apparatus contained in the capsule by a direct high voltage transmission cable 20 and a low AC voltage transmission cable 21, which descend into the borehole. 11.
Cables 20 and 21 may be secured to pumping line 14 by flanges 22 spaced at approximate productive spacings 13 along the length of the borehole. Form, which can vary in thickness within relatively large limits, is generally composed of a porous core, such as limestone or sandstone, impregnated with crude oil in a gaseous or liquid state. Liquid petroleum is brought to the surface through line 14, by means of a conventional pumping apparatus which includes a pump 67 connected to a sucker rod 68 which extends from bottom to top to a mechanism. reciprocating motor (not shown), as is well known in the art.
In order to avoid lateral displacements of the pumping tube 64 and of the capsule 18 inside the well 11, centering spacers 23 of the conventional type are arranged at suitable locations along the borehole. To avoid longitudinal displacement of the pumping tube and the capsule,
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there is provided an anchoring device 24 placed at an appropriate distance above the capsule 18. The anchoring device 24 comprises several movable claws, arranged at each end of the anchoring casing 66. When we have lowered the 'assembly consisting of the pumping tube and the capsule to their correct position relative to the oil formation 13, this assembly is rotated inside the well.
This rotation has the effect of causing a pressure on the claws 25, pressure exerted outwardly by cams (not shown) provided inside the anchor housing 66, so that teeth located in the external surfaces of the claws contact and bite into the internal walls of the sheath 12 to hold the tube and capsule securely in place in the well. This construction is generally well known to technicians in this branch.
To facilitate the mounting of the anchor assembly on the tube 14 and to avoid damaging the cables 2C and 21 during this assembly, two flanged connections 26 are used at each end of the anchor assembly 24. The cable high voltage 20 enters the anchor casing 66 through an obliquely drilled hole 27 in the tapered upper part of this casing and it passes through the central tube of the casing and exits through the other end through a second hole 28, drilled obliquely in the conical lower part of the housing. The low voltage cable 21 passes through openings provided between the claws 25.
At the upper end of the borehole 11, a wellhead 15 is provided which serves to discharge the crude petroleum products pumped from the petroleum reservoir to the surface into suitable storage containers. The wellhead 15 comprises a frame 29 having a circular opening at its lower end, so that the pumping tube 14 can pass through it. A set of
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claws 30 placed inside this frame 29 surround the pumping tube 14 as is well known in the art.
Two tubes 31 which open into the frame 29 serve to evacuate the petroleum gases which rise to the surface from the petroleum formation 13. To prevent the gases from escaping outside the upper face of the well head 15, a gasket 32 is disposed around the pumping tube 14 above the claws 30. This sealing material 32 is held in place by a brass cover 33, the gasket and the cover being compressed. by a wellhead cap 34 which is very tightly fitted to the frame 29.
Suitable openings are; drilled through the cover 33, the seal 32, the claws 3C and the casing 29 to allow the cables 20 and 21 and the pumping tube 14 to pass from top to bottom through the head of the well 15 to enter the drilling 11.
Fig. 2 shows the exterior of a high frequency heating capsule 18, which is connected to the lower part of a production column 14 by a flanged connection 35. The upper part of the capsule 18 comprises a stainless steel tube. 36, having the same diameter as the pumping tube 14 and pierced with perforations 37 which allow petroleum products to enter the pumping tube 14, as described below in more detail. The upper cylinder 36 is internally provided with heat exchange coils shown in FIG. 4. Cables 20 and 21 run along and outside the cylinder 36. The section 88 of the lower part of the capsule 18 is made of stainless steel and has a diameter greater than that of the cylinder 36.
The section 88 contains a pump used to circulate the fluid used in the heat exchange circuit of the capsule. In the particular embodiment of FIG. 2, three high frequency heating sections 38 have been shown.
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These sections contain high frequency generators such as magnetrons or other devices capable of producing high frequency electro-magnetic energy. The part of the capsule which contains the high frequency energy generators is made of a suitable plastic material such as the so-called "Fiberglas" material, which allows high frequency energy to pass to the oil formation 13 without loss. . According to the invention, any number of high frequency heating sections 38 can therefore be used for the particular application desired. A stainless steel terminal cone 39 is attached to the lower section containing a magnetron to complete the capsule.
We give below, in the following paragraphs and with reference to Figs. 3 and 4, descriptions of an embodiment of one of the magnetron sections according to the invention and of the cable and heat exchange circuits of the capsule.
Fig. 3 shows the internal structure of a high frequency generator section 38 of the capsule 18. Each of the high frequency generator sections used in the capsule is constructed substantially in the same way as that shown in FIG. 3. The sections 38 constituting the magnetrons are housed inside the plastic part of the capsule 18 which is shown in FIG. 3 in the form of a plastic shell 69. Each section comprises aluminum structures 70 and 71 which are assembled by a flanged connection 72. The upper end of the structure 70 also includes an assembly flange. 80 which connects this structure to the previous section located immediately above.
The lower end of the structure 71 has a solid assembly flange 89 used to assemble this structure to the next section disposed immediately below. The blank flange 89 opposes the penetration of high frequency energy into the next section located.
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immediately below the section shown. Each of the flanged connections has on its periphery a series of notches 73, to allow the electric cables and the tubes of the heat exchange circuit to descend along the capsule. The lower section is joined to the terminal cone 39.
A heating transformer 40, comprising a pair of input terminals (not shown) to which are connected conductors 74 and 75 of the low voltage AC cable 21, is mounted on the structure 70 by means of brackets 47 bolted to the structure. 70 and on transformer 40. Two output terminals 76 and 77, mounted at the lower end of heating transformer 40 are connected to terminals 41 and 42 of a cathode generator by two conductors 78 and 79. An enclosure vacuum 44 which isolates the cathode is shown in a form having cooling ribs 45.
The anode portion 48 of the magnetron is surrounded by a permanent magnet 49 and has a transmitting antenna 50 which extends from its lower end to penetrate inside a dielectric vacuum enclosure 82. The magnet is held in place. place at each end by rubber blocks 51 which serve to oppose accidental shocks or vibrations of the magnetron. The antenna 82 transmits into a radiant cavity 52 which constitutes the lower part of the interior stainless steel structure 71. The radiant cavity 52 has several longitudinal slits 53 which radiate the high frequency energy emitted through the plastic shell 59 capsule 18.
In this particular embodiment, the slots 53 are distributed in a substantially symmetrical manner over the periphery of the radiant cavity 52.
The cavity 52 and the slits 53 constitute a resonant structure for producing the desired radiant energy. To ensure the transmission of radiant energy to
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oil formation through the longitudinal set of slots 53 shown, there is provided a set of probes 85 which protrude inwardly towards the center of the cavity 52. It is desirable that the energy transmission be made as well. efficient as possible through an appropriate impedance match between the radiant device and the oil formation in which the energy is emitted. The match of impedances generally depends on the dimensions of each slot and the composition of the materials present in the formation.
An empirical method can be used to determine the slit sizes that can be used, which method involves emitting energy from the high frequency generator of the device into a sample of the material expected to be found in the device. actual operation of the apparatus, and to determine by this means the optimum values of slot dimension taking as a basis the experimental measurements of the energy obtained by this means.
A high voltage direct current cable 20 may be connected directly to the cathode of the magnetron or alternatively may be connected, as shown, to the appropriate terminal 76 of the transformer, the current being conducted from there to the cathode through a conductor 78.
The heat exchange circuit of the capsule is essentially a set of tubes connected in series, through which a suitable refrigerant is circulated (shown and described more clearly with reference to Fig. 5). In Fig. 3, the cooled liquid is forced downwards through line 56 shown on the left and it enters the anode part on the right. The refrigerant circulates around the anode and leaves it through a pipe 79, as shown, from where it is sent downwards, to the next section.
A return line 57 directly returns the heated refrigerant from the lower magnetron to the heat exchanger.
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heat housed in section 36 of the capsule.
The circuits of cables and heat exchange pipes are represented more clearly in the diagram of Fig. 5. This figure shows only four magnetrons 58-61, spaced vertically, although any number of magnetrons can be used, depending on the thickness of the petroleum layer to be heated. The high voltage cable 20 is arranged so as to obtain several high voltage conductors not connected to the earth, the necessary earthing being provided by the metallic structure of the pumping pipe and of the capsule.
In this particular embodiment, the magnetrons are arranged such that each successive pair of magnetrons is supplied in parallel from one of this set of high voltage conductors contained in the cable.
20. For example, the magnetrons 58 and 59 are supplied with high voltage from the high voltage conductor 62 and the magnetrons 60 and 61 are supplied in parallel from the high voltage conductor 63. The cable 21 is used to provide an exciting voltage. from the AC heating transformers 40. In the illustrated embodiment, all of the heating transformers associated with the magnetrons are powered in parallel from the single two-conductor AC cable 21.
The heat exchange circuit comprises a set of pipes connected in series, in which the cooled fluid descends through pipe 56 into the anode part of the first magnetrons and, from there, reaches the anode part of the next magnetron and so on. Return line 57 returns the heated fluid to the heat exchange coil 64 placed in the perforated cylinder 36 of the capsule 18. A suitable pumping mechanism 65 serves to circulate the coolant throughout the closed cooling circuit. Refrigerant
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used can be water or any other fluid suitable for such use.
It is generally advantageous for the atmosphere prevailing in the capsule to be such as to substantially prevent any formation of humidity and to provide relatively good electrical insulation. For this purpose, an atmosphere of substantially pure nitrogen is used in the capsule.
As can be seen from Figs. 1 to 4, the application of the operating voltages to the magnetrons results in high frequency energy radiation emitted by the radiant cavities 52 associated with the various magnetrons and spaced vertically, in the oil formation 13. In a particular form In carrying out the invention, it has been found that a suitable frequency of about 2,500 MHz can be used.
The petroleum products present in the borehole of the well and which permeate the formation absorb very little of the high-frequency energy, which penetrates the formation and substantially all of which is absorbed by the magassin rock.
The rise in temperature within the formation causes a drop in the viscosity of the petroleum products and therefore increases their flow rate between the formation and the production column as they enter the perforations 37 made at the bottom. lower portion 36 of the capsule 18. The oil is still heated by the heat exchange coils 64 over which it passes and a further reduction in the viscosity of the oil occurs.
This further reduction in viscosity, which is due to the application of thermal energy to the crude oil, ensures a further increase in its flow rate. It can be seen that the device according to the invention uses both the high frequency energy and the thermal energy generated by the magnetrons to increase the flow speed of the crude oil products towards the surface. It is obvious
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that the fluid flow velocity can be determined by determining the magnitude of the high frequency power supplied and the times that the high frequency power generators are in operation.
It is also obvious that the high-frequency heating installation and according to the invention can be used in a structure of a cased oil well.
In this application, the opening opening into the oil formation 13 can be sheathed by means of a highly resistant and perforated plastic sheathing which is transparent to high frequency energy. Alternatively, the borehole may be sheathed by means of a stainless steel sheath having radiation exit openings or slits which are suitably arranged to allow penetration of energy into the oil formation.
The particular embodiment described and shown with reference to FIGS. 1 to 5 does not constitute the only possible embodiment of the invention. Those skilled in the art will be able to make modifications to it while remaining within the scope of the invention.