CA2098269C - Dispositif et methode de pompage d'un liquide visqueux comportant l'injection d'un produit fluidifiant, application aux puits horizontaux - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de pompage d'un fluide de fort e viscosité comportant une pompe reliée à l'extrémité inférieure d'une colonne tubulaire au fond d'un puits. Le dispositif comporte un dispositif de séparation du gaz libre et un moyen d'injection d'un produit fluidifiant. L'injection se fait sensiblement au niveau des orifices d'admission du fluide, à partir d'un tube remontant jusqu'en surface. L'invention concerne également une méthode de pompage dans laquelle on injecte un produit fluidifiant dans le fluide visqueux à l'admission de la pompe.

Description

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S
1.a présente invention concerne un dispositif et ttne méthode adaptés au pompage d'un fluide visqueux, tel un hydrocarbure comportant un certain taux de gaz.
L'invention comporte un système de séparation du gaz libre et un moyen d'injectïon d'un produit 1 0 fluidifiant adapté à diminuer la viscosité de la phase liquide obtenue après séparation du gaz.
Par produit fluidifiant, il faut comprendre taus les fluides capable de diminuer la viscosité d'un fluide visqueux une fais mélangê à celui-ci. L.e produit fluidifiant peut lui même être un mélange de plusieurs fluides au de fluides et d'additifs solides ou fluides, en solution ou en suspension. Le résultat du mélange entre le produit fluidifiant et le fluide 1 S visqueux peut être sous la forme d'une soltation, d'une émulsion, ou les deux â la fois. Dans tous les cas, le mélange résultant a une viscosité inférieure à la viscosité
dudit fluide visqueux.
Dans la présente demande, la dénomination usuelle simplifiée de "fluidifiant"
signifie "produit fluidifiant" tel défini plus haut.

2 0 Les installations de production d'hydrocarbures utilisent; après l'opération de forage de puits à travers des gisements producteurs, des systèmes de pompage destinés à
faire remonter l'hydrocarbure vers la surface. Pour cette opération, on descend notamment dans le puits une colonne tubulaire servant de conduit pour produire les hydrocarbures au bout de laquelle est disposée une pompe.
2 5 Les pompes utilisées peuvent être de différents types : pompes à pistons, à clapets, pompes centrifuges, pompes volumétriques rotatives. L'entraînement de ces pompes peut se faire à partir de la surface par des tiges déplacées dans un mouvement alternatif ou de rotation, sur toute la distance entre la pompe et la surface, ou par des moyens immergés tels que turbine ou moteur électrique, l'énergie primaire provenant de la surface.

3 0 Si de telles pompes fonctionnent avec satisfaction quand le fluide pompé
est composé en majorité de liquïdes, des problèmes apparaîssent et se développent lorsqu'un volume de gaz libre est présent dans le fluide de production. En effet, si la pression d'admission d'un fluide à une pompe est inférieure à la pression de bulle au-dessus de laquelle tout le gaz est dissatas dans l'huile, les pompes admettent du gaz libre mélangé au 3 S fluide de production.
Dans ces conditions, il en résulte un faible rendement de pompage, problème résolu par la demande EP 0435716 dans laquelle, Ia pompe est introduite dans une conduite d'admission pourvue d'orifices à son extrémité supérieure et d'un système de clapet à son extrémité inférieure. Le gaz se sépare de l'huile au niveau des orif ces. Le système de clapet protège la pompe d'un risque de fonctionnement à sec si le niveau des hydrocarbures n'atteint pas les orifices.
Mais dans le cas d'un fluide de production visqueux, le dispositif de pompage décrit dans le document EP 0435716 présente les inconvénients suivants - la viscosité du fluide de production risque de provoquer des colmatages fréquents du système de clapet, le rendant alors inopérant. De plus, dans la plupart des formations géologiques productrices de fluide visqueux, le phénomène d'entraînement de particules solides est courant, en particulier à cause de la consistance du fluide. Les particules solides, par exemple des sables, sédimentent dans le vaisinage de l'extrémité basse de la conduite d'admission provoquant le bouchage des clapets.
- La viscositë du fluide de production est telle que les pertes de charge créees à
l'intérieur du conduit d'admission, entre les orifices d'admission et l'admission de la pompe, peuvent rendre le pompage inefficace à cause notamment de la diminution du débit de pompage qui en découle.
De même, les pertes de charges en aval de la pompe augmentent avec la viscosité
et provoquent une plus grande consommation d'energie au pompage.
La présente invention vise à pallier les inconvénients précités en supprimant le système de clapet destiné à éviter le fonctionnement à sec de la pompe, et en ajoutant une injection d'un fluide sensiblement au niveau des orifices du conduit d'admission. On choisit un fluide notamment adapté à diminuer les pertes de charge lors de l'écoulement du mélange obtenu avec le fluide de production, que ce soit en amont ou en aval de la pompe. La présente invention permet aussi de choisir un type de fluide injecté ayant la capacité d'être séparé le plus facilement possible du fluide de production, une fois en surface, pour être recyclé et pour simplifier le transport et 1e stockage de la production. Le fluide choisi peut favorablement dissoudre une partie du gaz qui n'aurait pas été séparé au niveau des orifices.
La présente invention a pour objet un dispositif de pompage d'un fluide de forte viscosité comportant un certain taux de gaz, co~riportant une pompe reliée à
l'extrémité
inférieure d'une colonne tubulaïre au fond d'un puits, un dispositif d'admission de fluide dans une extrémité basse est obturée et une extrémité haute comporte des orifices d'admission de fluide, l'aspiration de ladite pompe se faisant à partir de fextrêmité basse dudit dispositif d'admission communicant par un conduit avec lesdits orifices, ledit dispositif de pompage comportant des moyens d'injection d'un produit fluidifiant dudit fluide de forte viscosité, ledit fluidifiant ëtant injecté à partir de la surface, caractérisê en ce que l'injection du fluidifiant dans ledit fluide se fait au voisinage des orifices d'admission.
L' injection du fluidifiant peut se faire en aval des orifices d'admission.
Le dispositif d'admission peut comporter un conduit d'admission annulaire reliant lesdits orifices à ladite extrémité basse, une pièce de fixation en extrémité
haute, ladite pièce de fixation peut comporter au moins un orifice d'injection du fluidifiant, ledit orifice étant 1 o relié à la surface par un conduit.
Le conduit d'injection peut être un tube situé dans l'espace annulaire défini par ladite colonne tubulaire et (intérieur dudit puits.
Le fluidifiant peut être un liquide adapté à diluer ou à émulsifier ledit fluide de forte viscosité, par exemple des huiles minérales légères de faible viscosité, tel un kérosène, ou de l'eau comportant des additifs émulsifiants.
Le dispositif selon l'invention peut comporter au moins un ensemble de mesure comportant au moins un capteur de pression, l'ensemble peut être situé dans le voisinage de l'extrémité basse du dispositif d'admission ou dans le voisinage de l'extrémité haute du dispositif d'admission.
Ledit ensemble de mesure peut être relié à la surface par l'intermédiaire d'un câble.
20 La présente invention concerne également une méthode de pompage d'un fluide de forte viscosité, dans laquelle on relie une pompe à l'extrémité basse d'une colonne tubulaire au fond d'un puits, on dispose un dispositif d'admission de fluide dont l'extrémité basse est obturée et l'extrémité
haute comporte des orifices, l'aspiration de la pompe se faisant à partir de l'extrémité basse, on sépare le gaz libre de la phase liquide dudit fluide, le gaz remontant vers la surface par l'espace annulaire défini par l'extérieur de la colonne tubulaire et l'intérieur du 30 puits, le liquide s'écoulant par lesdits orifices vers l'admission de la pompe par un conduit, caractérisé en ce que l'on injecte dans le voisinage desdits orifices un 3a produit fluidifiant dudit liquide, ladite injection se faisant à partir de la surface.
Application du dispositif et de la méthode selon l'invention à la production pétrolière à partir de puits sensiblement horizontaux.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus nettement à
la lecture de la description qui suit d'exemples nullement limitatifs illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles - la figure 1 représente la coupe d'un puits foré et équipé du dispositif selon l'invention schématisé.
- la figure 2 montre une coupe de la partie infêrieure de la colonne.
- les figures 3A et 3B reprêsentent en coupe l'extrémité haute du dispositif d'admission et d'injection.
- la figure 4 illustre une variante du dispositif.
La figure 1 représente un puits 1 foré dans une formation géologique productrice d'un hydrocarbure visqueux. Le puits 1 comporte une partie sensiblement verticale et une ~~~o~~

4 partie fortement incline par rapport à la verticale au niveau de la formation productrice. Une pompe 3 est fixée à l'extxémité d'une colonnf: tubulaire 2 par l'intermédiaire d'un tronçon d'une autre colonne tubulaire intermédiaire 4. La pompe 3 représentée ici est du type à vis rotative, genre "Moineau", bien connue dans la technique du pompage dans les puits pétroliers, par exemple la pompe RODEMIP 400TP90U fabriquée par PCM Pompes (France). La pompe est entraînée en rotation à partir de la motorisation 5 située en surface.
Une tige 6 tz~ansmet la rotation du moteur 5 au rotor 7 de la pompe à travers la Colonne 2.
A la surface, l'extrémité supérieure de la colonne 2 comporte des moyens de vannage 8 contrôlant le fluide refoulé par la pompe à (intérieur de la colonne 2. D'autres 1 0 moyens de vannage 9 contrôlent les fluides pouvant remonter à la surface par l'intermédiaire de la conduite annulaire définie par l'intérieur du puits 1 et l'extérieur de la colonne 2.
L'ensemble pompe 3 et colonne intermédiaire 4 est introduit dans une colonne solidwisée avec l'extrémité inférieure de la colonne 2 dans la zone référencée 11. La colonne est obturée à son extrémité inférïeure 12 et comporte des orifïces 24 permettant I 5 l'admission du fluide dans l'espace annulaire entxe la colonne 4 et l'intérieur de la colonne 10, ledit espace formant un conduit communicant avec l'admission de la pompe.
Un conduit 13 s'étend de la surface à la zone 11 permettant l'injection d'un fluide sensiblement au même niveau que les orifices d'admission. Le conduit 13 est représenté ici parallèle à ta colonne 12, mais il peut également être coaxial à la colonne 2.
2 0 Deux ensembles de capteurs 14 et IS sont placés sensiblement dans le voisinage des zones 1 I et 12 du dispositif d'admission 10. Ces deux ensembles 14 et 15 sont reliés à
la surface par un câble 16 situé à (extérieur de la colonne 2. Le dispositif selon l'invention peut comporter uniquement un seul ensemble, préférentiellement placé au voisinage de la partie basse du dispositif.
2 5 La figure 2 détaille la partie inférieure de la colonne 2 et permet de mieux illustrer le cheminement des différents fluides. La colonne d'admission 10 est obturée à
son extrémité
basse par un embout 18, comportant une cavité 20 à proximité de l'admission de la pompe 3 et un moyen de fixation d'un carter 21 de protection de l'ensemble de capteurs 15. I,e carter 21 comporte des orifices 22 permettant la transmission des informations aux capteurs, par 3 0 exemple la pression dans 1e puits ou la température du fluide. Le câble 23 traverse l'embout 18 pour relier l'ensemble 15 à la surface ou à l'ensemble supérieur 14, intermédiaire avec la surface. Le câble est de préférence situé dans l'espace annulaire entre le corps de la pompe 3 et l'intérieur de la colonne d'admission 10. Le passage du Gable 23 à travers l'embout 18 est étanché autour du câble par le moyen de joints comprimés par serrage, suivant la technique 3 S d'un presse-étoupe.
La colonne d'admission 10 est solidarisée à la colonne 2 par un raccord 17. .~
proximité de ce raccord 17, la colonne 10 comporte en ensemble d'orifices 24 répartis sur la circonférence du cylindre, mettant en Communication l'espace intérieur du puits 1 avec s l'espace annulaire entre l'extérieur de la colonne intermédiaire 4 et l'intérieur de la colonne d'admission 10.
I,e câble 23 traverse le raccord 17 pour étre relié à fensernble de capteurs 14 situé à
l'extérieur de la colonne 2, en contact avec les fluides présents dans le puits 1.
S L'ensemble de capteurs IS, peut être ou ne pas être identique à l'ensemble 14, mais les informations comparées entre la partie basse et la zone de dêgazage du fluide de production, peuvent étre intéressantes pour tenter d'optimiser la production par pompage.
Le conduit 13 est fixé sur le raccard 17. Le dispositif d'injection du fluide amené
de la surface par ce conduit est détaillée sur la figure 3A.
1 0 Pendant le fonctionnement du dispositif de pompage, le fluide de production provenant de la formation géologique atteint au moins le niveau des orifices 24. La séparation entre gaz libre et la phase liquide composant le fluide de production, se fait grâce aux orifices 24. Les bulles de gaz s'évacuent en montant vers la surface par l'espace annulaire entre le puits 1 et la colonne 2 par le principe de ségrégation entre des fluides de 1 S masse volumique différente, alors que la phase liquide s'écoule par les orifices 24 dans le conduit d'admission annulaire communicant avec la cavité 20 à proximité de l'admission de la pompe. Bien entendu, le principe de la séparation de gaz impose que les orifices soient situés à un niveau supérieur à celui de la partie basse du conduit d'admission. L,a différence de pression représentée par la différence de niveau effectue le dégazage du fluide de 2 0 production.
L°injection d'un produit fluidifiant se fait au voisinage des orifices 24, en effet il faut effectuer le mélange préférentiellement après Ie dégazage du fluide de production pour ne pas perturber cette étape. De plus, plus tôt est fluidifiée Ia phase liquide, plus facilement se fait les écoulements. La zone d'injection est donc de préférence três proche de l'aval du 2 5 dispositif de séparation. Le mélange du fluidifiant avec le fluide production favorise 1"écoulement dans le conduit annulaire d'admission défini par l'extérieur de la colonne intermédiaire 4, le corps de la pompe 3 et l'intérieur du conduit 10.
Ainsi, le mélange refoulê par la pompe vers la surface par fintêrieur de la colonne intermédiaire 4 puis par l'intérieur de la colonne 2, circulation qui crée des pertes de charge 3 0 limitant toujours l'efficacité du pompage, ces pertes de charges dues au mélange sont inférieures â celles que l'on aurait avec le fluide de production seul.
L'injection continue d'un fluide par la conduite 13 présente l'avantage d'év:iter tout fonctionnement à sec de la pompe si le niveau de fluide de production n'atteint plus les orifices 24 pendant une durée suffisamment longue, correspondante au temps mis par la 3 S pompe pour vider le conduit d'admission annulaire. En effet, dans ce cas, la pompe reçoit à
l'admission au moins le fluide injecté par la conduite 13.
La figure 3A montre en coupe le raccord 17 comportant un conduit annulaire 2S
dans lequel débouche le conduit 13. Une série de tubes prolongateius 26 fixés sur le raccord ~~~c~~~l~

17 communiquent avec le conduit annulaire 2S et comportent à leur extrémité un orifice calibré 27. l.es tubes prolongateurs répartissent de préférence l'injection du produit fluidifiant au-dela et en aval des oriitces d'admission 24. L,es tubes peuvent avoir des longueurs différentes, par exemple, au mains un tube 26 pourrait être suffisamment long S pour injecter directement le fluidifiant au voisinage de la cavité 20, c'est-à-dire dans la partie basse du conduit d'admission.
I~a irgure 31~ montre un exemple de disposition des tubes prolongateurs 26 dans l'espace annulaire 28.
Ces tubes d'injection prolongés évitent le refoulement du produit fluidifiant à
1 0 travers les orifices 24, ce qui aurait pour inconvénient de perturber (admission de la phase liquide du fluide de production.
A l'extrémité du rotor 7 de la pompe 3 est fixé un moyen 30 adapté à brasser l'espace intérieur de la chambre 20. Ce moyen 30 est de préférence une tige souple, par exemple en matière plastique. La rotation du rotor 7 fait agir la tige 30 comme un agitateur, 1 5 empêchant ainsi toute accumulation importante de solides dans la cavité
20.
La figure 4 illustre une variante du dispositif selon l'invention où la pompe 3 n'est pas introduite dans la colonne d'admission 10, ni reliée à l'extrémité
inférieure de la colonne 2 par une colonne intermédiaire 4. La pompe est dans cette variante assemblée entre la conduite 2 et le raccord 17. Sur le raccord 17, équivalent au raccord 17 de la version selon la 2 0 figure 3A, est fixé le dispositif d'admission comportant une colonne 10.
Une colonne 31 est introduite à l'intérieur de la colonne d'admission 10 et fixée sur Ie raccord i?, défïnissant ainsi une conduite d'admission annulaire. La colonne d°admission comporte des orifices 24 au voisinage de sa partie haute. Les flêches reprêsentées sur la Ogure 4 montrent le chemin du fluide de production, avant, puis après dêgazage. Le fluide de production atteint le niveau 2 5 des orifices 24 où le dégazage s'effectue. Le gaz libre monte vers la surface dans (annulaire défini par le puits 1 et l'extérieux de la colonne 2. La phase liquide s'écoule par les orifices 24 dans l'annulaire défini par l'intérieur de la colonne d'admission 10 et l'extérieur de la colonne 31. L'injection du produit fluidifiant se fait au voisinage des orifices 24. Le mélange entre le fluide de production et le produit injecté s'écoule jusqu°à la cavité 20 située 3 0 dans la partie basse de la conduite d'admission, puis est aspiré par la pompe 3 par le canal intérieur de ta colonne 31. Cette variante permet d'utiliser une conduite d'admission dont les dimensions ne permettraient pas d'y introduire la pompe 3. Far contre, le circuit d'admission du fluide dans la pampa est allongé, mais l'injection du fluidifiant minimise l'augmentation des pertes de charge qui en découle.
~n décrira ci-après un exemple d'un mode opératoire de mise en place du dispositif selon l'invention.

On assemble à partir de la surface, la conduite d'admission 10 équipée du raccord 1g, de l'ensemble de capteurs 15 et du câble 23.
On place dans la conduite 10, le stator de la pompe 3 prolongé par des êléments de conduite intermédiaire 4.
On face la colonne 4 sur le raccord 17.
On fait passer le câble 23 à travers le raccord 17.
On assemble la conduite d'admïssion 10 avec le raccord 17.
On place puis on connecte l'ensemble de capteurs 14 au câble 23 et au câble 16. La longueur dur câble 16 est au moins égale à la longueur du puits i entre la position de 1 0 l'ensemble 14 et la surface. Cette longueur est stockée sur un touret.
On descend Ie dispositif dans le puits, jusqu'à la profondeur désirée, en ajoutant des éléments de colonne 2 à partir de la surface tout en déroulant du touret la longueur de câble 1 b nécessaire.
La conduite 13 est préférentiellement constituée par des éléments de tubes vissés les I 5 uns aux autres après avoir fixé le premier élément sur le raccord 17. Les tubes de la conduite 13 sont de prêférence fixés latéralement à la conduits; 2 au fur et à mesure de la descente de l'ensemble.
Dans le cadre de la présente invention, la conduite 13 peut êtue un tube continu, communément dénommé "coil tubing". Le tube continu est fixê sur le raccord 17 et 2 0 descendu en même temps que la colonne 2 et de préférence lié à la colonne 2 par des colliers. Il peut être envisagé de descendre le tube continu après la mise en place au fond du puits du dispositif de pompage et de Ie connecter sur le raccord 17 à l'aide de moyens de guidage et d'ancrage appropriés.
Une variante particulière de l'invention peut être d'injecter, par le moyen de la 2 5 conduite I3, directément au voisinage de la partie basse du systêrne, dans le puits 1. Le fluide de production est ainsi fluidifiê avant d'atteindre les orifices 24 du conduit de dégazage.
Une .fois atteint la profondeur souhaitée pour les orifices d'admission 24 par rapport au niveau dynamique du fluide de production dans le puits 1, on assémble les 3 0 systèmes de vannage 8 et 9 et on descend le rotor 7 de la pompe en assemblant lë's tiges motrices 6. Des centreurs 19 sont fixés sur ces tiges 6 pour notamment limiter les frottements dans l'intérieur de la colonne 2.
Quand le rotor est placé dans le stator de la pompe 3, la motorisation ~ est installée sur le sommet en surface de la colonne de production 2.

Claims (14)

1. Dispositif de pompage d'un fluide de forte viscosité comportant un certain taux de gaz, comportant une pompe reliée à l'extrémité inférieure d'une colonne tubulaire au fond d'un puits, un dispositif d'admission de fluide dont une extrémité basse est obturée et une extrémité haute comporte des orifices d'admission de fluide, l'aspiration de ladite pompe se faisant à partir de l'extrémité basse du dispositif d'admission, communicant par un conduit avec lesdits orifices, ledit dispositif de pompage comportant des moyens d'injection d'un produit fluidifiant dudit fluide de forte viscosité, ledit fluidifiant étant injecté à partir de la surface, caractérisé en ce que l'injection du fluidifiant dans ledit fluide se fait au voisinage des orifices d'admission.

2. Dispositif selon la revendication 1, carac-térisé en ce que l'injection du fluidifiant se fait en aval des orifices d'admission.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif d'admission comporte un conduit d'admission annulaire reliant les orifices à l'extrémité basse, une pièce de fixation en partie haute, ladite pièce de fixation comporte au moins un orifice d'injection du fluidifiant, ledit orifice étant relié à la surface par un conduit d'injection.

4. Dispositif selon la revendication 3, carac-térisé en ce que ledit conduit d'injection est un tube situé dans l'espace annulaire défini par ladite colonne tubulaire et l'intérieur dudit puits.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit fluidifiant est un liquide adapté à diluer ledit fluide de forte viscosité.

6. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit fluidifiant est un liquide adapté à émulsifier ledit fluide de forte viscosité.

7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit fluidifiant est choisi parmi le groupe comprenant les huiles minérales légères et l'eau comportant des additifs émulsifiants.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite huile minérale légère de faible viscosité est le kérosène.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte au moins un ensemble de mesure comportant au moins un capteur de pression, ledit ensemble étant situé dans le voisinage de l'extrémité basse du dispositif d'admission.

10. Dispositif selon la revendication 9, carac-térisé en ce que ledit au moins un ensemble est aussi situé
dans le voisinage de l'extrémité haute du dispositif d'admission.

11. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit ensemble est situé dans le voisinage de l'extrémité haute du dispositif d'admission.

12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit ensemble de mesure est relié à
la surface par l'intermédiaire d'un câble.

13. Méthode de pompage d'un fluide de forte viscosité, dans laquelle on relie une pompe à l'extrémité
basse d'une colonne tubulaire au fond d'un puits, on dispose un dispositif d'admission de fluide dont l'extrémité basse est obturée et l'extrémité haute comporte des orifices, l'aspiration de la pompe se faisant à partir de ladite extrémité basse, on sépare le gaz libre de la phase liquide dudit fluide, le gaz remontant vers la surface par l'espace annulaire défini par l'extérieur de la colonne tubulaire et l'intérieur du puits, le liquide s'écoulant par lesdits orifices vers l'admission de la pompe par un conduit, caractérisé en ce que l'on injecte dans le voisinage desdits orifices un produit fluidifiant dudit liquide, ladite injection se faisant à partir de la surface.

14. Application du dispositif et de la méthode selon l'une des revendications 1 ou 12, à la production pétrolière à partir de puits sensiblement horizontaux.