CA2239073A1 - Systeme de pompage volumetrique alternatif hydraulique - Google Patents
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Abstract
~ Système de pompage de fluides à basse pression comportant une enceinte de pompage, reliée à un conduit d'introduction du fluide à pomper et à un conduit de refoulement du fluide pompé. ~ L'enceinte est reliée à un conduit d'introduction d'un fluide moteur et à un réducteur de pression (P1, P2) du fluide moteur transmise au fluide à pomper. ~ Application au pompage de fluide basse pression. ~ Figure 2 à publier
Description
-I
SYSTEME DE POMPAGE VOLUMETRIQUE ALTERNATIF HYDRAULIQUE
La présente invention concerne un système de pompage hydrauli~ue permettant notamment de pomper des fluides à
faible pression.
Elle trouve plus particulièrement son application pour le pompage de fluides pétroliers en fond de puits.
Différentes méthodés et dispositifs sont utilisés dans le domaine de la production d'hydrocarbures pour le pompage des fluides à basse pression.
Le pompage hydraulique classique par pompes hydrauliques immergées à jet ou à pistons nécessite, par exemple :
~ soit de remonter le li~uide moteur mélangé avec la production, par l'espace annulaire situé entre le casing et le tubing, ou par le tubing central, selon le mode de circulation hydrauli~ue choisie. Le fluide moteur est, par exemple, de l'eau de gisement ou un brut dégazé et traité, incorporant éventuellement des additifs et/ou des solvants évitant des problèmes de dépôt, d'émulsion ou de corrosion.
L~un des inconvénients de cette méthode est gue le mélange du li~uide moteur et du fluide de production peut conduire à une pollution mutuelle de ces deux fluides. Cette option réclame une installation de traitement volumineuse et coûteuse en surface pour filtrer et recycler le fluide moteur ;
~ soit d'utiliser une complétion avec un tubing supplémentaire destiné à remonter le fluide moteur détendu, qui est une option coûteuse et complexe au niveau de sa réalisation.
L'idée de la présente invention consiste à propulser et à récupérer le fluide moteur par une même canalisation, en alternant les phases d'injection et de retrait du fluide moteur selon des cycles réguliers. En utilisant deux liaisons hydrauli~ues fond/surface distincts pour le fluide moteur et le fluide pompé, on évite le mélange du fluide moteur et du fluide de la production, lors de l'opération de pompage.
~ CA 02239073 l998-06-08 ..-Pour permettre la réalisation de la phase d'aspiration de la pompe de fond, on abaisse la pression générée au fond par le ~luide moteur, de sorte qu'elle devienne inférieure à
la pression du puits au droit de l'aspiration de la pompe.
Différentes méthodes ont été décrites dans l'art antérieur pour obtenir cette baisse de pression.
Une première solution décrite par exemple dans les brevets US-2.519.679, US-3.941.510 ou US-4.405.891, consiste à utiliser un fluide moteur léger, tel ~u'un liquide ou un gaz.
Toutefois, l'emploi de li~uides à faible densité
(propane ou butane liquéfié, alcool.. ) ne permet pas d~obtenir un gain de pression suffisant pour les applications classi~ues. L'utilisation du gaz (gaz naturel ou azote) a pour inconvénient de nécessiter un travail de compression important lors de chaque cycle, procurant un rendement énergéti~ue très faible et une cadence des cycles très lente.
Une seconde solution, mentionnée par exemple dans les brevets US-2.180.366, US-3.420.183 et US-4.616.974, consiste à assister la phase d'aspiration de la pompe, en faisant travailler alternativement la colonne de fluide moteur et la colonne de fluide pompé supposé monophasi~ue liquide. Cette solution fait appel à une installation compliquée au fond et en sur~ace, comportant un ensemble de clapets, de pistons et de cylindres de différentes sections. Cette techni~ue permettant d~utiliser un fluide moteur quelcon~ue, par exemple de l'eau, est alors bien adaptée pour le pompage de l'eau. Par contre, en production de brut avec gaz libre, ~ui représente un cas général d'application de la production pétrolière, elle nécessiterait d'augmenter considérablement le volume de fluide moteur transféré à chaque cycle pour assister la remontée de la production en comprimant le gaz produit, limitant ainsi considérablement le rendement énergéti~ue et le débit de la production. L'adaptation d'un séparateur de gaz au fond avant l'aspiration de la pompe, dont l'efficacité n'est pas parfaite, compli~uerait la ~ CA 02239073 l998-06-08 complétion du puits, sans permettre de supprimer totalement cet inconvénient.
Une troisième solution, telle que celle qui est décrite dans les brevets US-2.555.613 ou US-4.013.385, consiste en~in à utiliser un ressort mécanique ou pneumatique exerçant directement un effort de rappel vers le haut sur le piston d'une pompe hydraulique de fond à piston classique. Cette solution se heurte à la grande dif~iculté de mise en place dans un espace de petit diamètre d'un long et puissant ressort nécessaire pour réduire substantiellement la charge hydrostatique exercée par la colonne de fluide moteur. La poussée P à exercer pour s'opposer à cette colonne doit en effet répondre à la condition :
> (PMsh-pasp) S
où:
PM est la masse volumique du ~luide moteur, g représente la constante de gravité locale (environ 9,8 m/s ), h est la profondeur de la pompe, Pasp est la pression d'aspiration du fluide de gisement, S la section du piston de la pompe hydraulique de ~ond.
La poussée P ainsi calculée dépasserait ~réquemment 1000 kg.
La présente invention propose un système de pompage hydrauligue permettant de résoudre les problèmes mentionnés dans l'art antérieur, tout en min;misant les coûts d'investissements et de traitement des ~luides en surface.
L'invention concerne un système de pompage volumétri~ue alternati~ hydraulique de ~luides à basse pression comportant au moins une enceinte de pompage, ladite enceinte comportant au moins un conduit d'introduction du fluide à pomper et au moins un conduit de re~oulement du fluide pompé.
Il est caractérisé en ce ~ue l~enceinte de pompage est pourvue d'un conduit d'introduction d'un fluide auxiliaire tel ~u'un fluide moteur et de moyens réducteur de pression permettant de réduire la pression dudit fluide moteur transmise au ~1uide à pomper.
Le réducteur de pression peut former avec la paroi interne de l~enceinte de pompage un espace dont le volume est porté à basse pression ou au vide.
Il peut comporter des moyens permettant de préserver le vide dans cet espace, lesdits moyens comportant un clapet de préservation du vide.
On pourra éventuellement utiliser un joint élastigue en complément de ce clapet, le joint étant disposé pour emprisonner une faible quantité de volume liguide dans l'espace vide De cette manière, il est possible de maintenir le vide ou la basse pression dans cet état au cours de l'exploitation, et le réducteur de pression peut remplir parfaitement sa fonction pendant toute la course du réducteur de pression et tout au long de l'exploitation du système.
Il peut aussi comporter des moyens de rappel reliés audit réducteur de pression.
Selon un mode de réalisation, l'enceinte de pompage comporte deux parties, une première partie et une seconde partie, lesdites parties étant reliées par un conduit, et:
~ la première partie ou partie motrice comporte les moyens réducteurs de pression et peut être pourvue de moyens d'introduction du fluide moteur, le fluide moteur jouant aussi le rôle de fluide tampon, ~ la seconde partie comporte par exemple un moyen jouant le rôle de piston et délimitant deux chambres à volume variable, une des chambres étant en communication avec les moyens d'introduction et de refoulement du fluide à pomper et l'autre communiquant avec le conduit d'introduction du fluide moteur, Selon cet agencement, le piston libre est asservi hydrauliguement par l'intermédiaire du ~luide moteur ou tampon.
f CA 02239073 1998-06-08 ~.
s Le réducteur de pression pourra comporter au moins un premier piston P1 ayant une section S1 et un deuxième piston P2 de section S2, le premier et le deuxième piston étant disposés sensiblement sur le même axe, le rapport des sections S2/S1 étant compris entre 1 et 10 et de préférence entre 2 et 3.
En négligeant le frottement des joints d'étanchéité des pistons, la pression hydrostatique ainsi transmise au moyen de pompage comportant par exemple un piston libre, est réduite d'un facteur égal à S2/S1.
Les moyens assurant la fonction de pompage, peuvent être formés aussi par une membrane souple déformable disposée sensiblement selon la longueur de la pompe ou par une membrane double ou encore selon un autre mode de réalisation, IS par une ou plusieurs membranes extensibles gonflées et pliées alternativement de manière à créer dans le corps de la pompe la variation de volume de la chambre nécessaire aux phases d'aspiration et de refoulement.
Les opérations de pompage peuvent être. réalisées à
l~aide d'un dispositi~ de c~mm~n~ et de génération de cycle de pression modulée en surface. Le fluide moteur est par exemple une huile hydraulique classique, ou du gas-oil soigneusement filtré, éventuellement de l'eau traitée pour éviter la corrosion.
SYSTEME DE POMPAGE VOLUMETRIQUE ALTERNATIF HYDRAULIQUE
La présente invention concerne un système de pompage hydrauli~ue permettant notamment de pomper des fluides à
faible pression.
Elle trouve plus particulièrement son application pour le pompage de fluides pétroliers en fond de puits.
Différentes méthodés et dispositifs sont utilisés dans le domaine de la production d'hydrocarbures pour le pompage des fluides à basse pression.
Le pompage hydraulique classique par pompes hydrauliques immergées à jet ou à pistons nécessite, par exemple :
~ soit de remonter le li~uide moteur mélangé avec la production, par l'espace annulaire situé entre le casing et le tubing, ou par le tubing central, selon le mode de circulation hydrauli~ue choisie. Le fluide moteur est, par exemple, de l'eau de gisement ou un brut dégazé et traité, incorporant éventuellement des additifs et/ou des solvants évitant des problèmes de dépôt, d'émulsion ou de corrosion.
L~un des inconvénients de cette méthode est gue le mélange du li~uide moteur et du fluide de production peut conduire à une pollution mutuelle de ces deux fluides. Cette option réclame une installation de traitement volumineuse et coûteuse en surface pour filtrer et recycler le fluide moteur ;
~ soit d'utiliser une complétion avec un tubing supplémentaire destiné à remonter le fluide moteur détendu, qui est une option coûteuse et complexe au niveau de sa réalisation.
L'idée de la présente invention consiste à propulser et à récupérer le fluide moteur par une même canalisation, en alternant les phases d'injection et de retrait du fluide moteur selon des cycles réguliers. En utilisant deux liaisons hydrauli~ues fond/surface distincts pour le fluide moteur et le fluide pompé, on évite le mélange du fluide moteur et du fluide de la production, lors de l'opération de pompage.
~ CA 02239073 l998-06-08 ..-Pour permettre la réalisation de la phase d'aspiration de la pompe de fond, on abaisse la pression générée au fond par le ~luide moteur, de sorte qu'elle devienne inférieure à
la pression du puits au droit de l'aspiration de la pompe.
Différentes méthodes ont été décrites dans l'art antérieur pour obtenir cette baisse de pression.
Une première solution décrite par exemple dans les brevets US-2.519.679, US-3.941.510 ou US-4.405.891, consiste à utiliser un fluide moteur léger, tel ~u'un liquide ou un gaz.
Toutefois, l'emploi de li~uides à faible densité
(propane ou butane liquéfié, alcool.. ) ne permet pas d~obtenir un gain de pression suffisant pour les applications classi~ues. L'utilisation du gaz (gaz naturel ou azote) a pour inconvénient de nécessiter un travail de compression important lors de chaque cycle, procurant un rendement énergéti~ue très faible et une cadence des cycles très lente.
Une seconde solution, mentionnée par exemple dans les brevets US-2.180.366, US-3.420.183 et US-4.616.974, consiste à assister la phase d'aspiration de la pompe, en faisant travailler alternativement la colonne de fluide moteur et la colonne de fluide pompé supposé monophasi~ue liquide. Cette solution fait appel à une installation compliquée au fond et en sur~ace, comportant un ensemble de clapets, de pistons et de cylindres de différentes sections. Cette techni~ue permettant d~utiliser un fluide moteur quelcon~ue, par exemple de l'eau, est alors bien adaptée pour le pompage de l'eau. Par contre, en production de brut avec gaz libre, ~ui représente un cas général d'application de la production pétrolière, elle nécessiterait d'augmenter considérablement le volume de fluide moteur transféré à chaque cycle pour assister la remontée de la production en comprimant le gaz produit, limitant ainsi considérablement le rendement énergéti~ue et le débit de la production. L'adaptation d'un séparateur de gaz au fond avant l'aspiration de la pompe, dont l'efficacité n'est pas parfaite, compli~uerait la ~ CA 02239073 l998-06-08 complétion du puits, sans permettre de supprimer totalement cet inconvénient.
Une troisième solution, telle que celle qui est décrite dans les brevets US-2.555.613 ou US-4.013.385, consiste en~in à utiliser un ressort mécanique ou pneumatique exerçant directement un effort de rappel vers le haut sur le piston d'une pompe hydraulique de fond à piston classique. Cette solution se heurte à la grande dif~iculté de mise en place dans un espace de petit diamètre d'un long et puissant ressort nécessaire pour réduire substantiellement la charge hydrostatique exercée par la colonne de fluide moteur. La poussée P à exercer pour s'opposer à cette colonne doit en effet répondre à la condition :
> (PMsh-pasp) S
où:
PM est la masse volumique du ~luide moteur, g représente la constante de gravité locale (environ 9,8 m/s ), h est la profondeur de la pompe, Pasp est la pression d'aspiration du fluide de gisement, S la section du piston de la pompe hydraulique de ~ond.
La poussée P ainsi calculée dépasserait ~réquemment 1000 kg.
La présente invention propose un système de pompage hydrauligue permettant de résoudre les problèmes mentionnés dans l'art antérieur, tout en min;misant les coûts d'investissements et de traitement des ~luides en surface.
L'invention concerne un système de pompage volumétri~ue alternati~ hydraulique de ~luides à basse pression comportant au moins une enceinte de pompage, ladite enceinte comportant au moins un conduit d'introduction du fluide à pomper et au moins un conduit de re~oulement du fluide pompé.
Il est caractérisé en ce ~ue l~enceinte de pompage est pourvue d'un conduit d'introduction d'un fluide auxiliaire tel ~u'un fluide moteur et de moyens réducteur de pression permettant de réduire la pression dudit fluide moteur transmise au ~1uide à pomper.
Le réducteur de pression peut former avec la paroi interne de l~enceinte de pompage un espace dont le volume est porté à basse pression ou au vide.
Il peut comporter des moyens permettant de préserver le vide dans cet espace, lesdits moyens comportant un clapet de préservation du vide.
On pourra éventuellement utiliser un joint élastigue en complément de ce clapet, le joint étant disposé pour emprisonner une faible quantité de volume liguide dans l'espace vide De cette manière, il est possible de maintenir le vide ou la basse pression dans cet état au cours de l'exploitation, et le réducteur de pression peut remplir parfaitement sa fonction pendant toute la course du réducteur de pression et tout au long de l'exploitation du système.
Il peut aussi comporter des moyens de rappel reliés audit réducteur de pression.
Selon un mode de réalisation, l'enceinte de pompage comporte deux parties, une première partie et une seconde partie, lesdites parties étant reliées par un conduit, et:
~ la première partie ou partie motrice comporte les moyens réducteurs de pression et peut être pourvue de moyens d'introduction du fluide moteur, le fluide moteur jouant aussi le rôle de fluide tampon, ~ la seconde partie comporte par exemple un moyen jouant le rôle de piston et délimitant deux chambres à volume variable, une des chambres étant en communication avec les moyens d'introduction et de refoulement du fluide à pomper et l'autre communiquant avec le conduit d'introduction du fluide moteur, Selon cet agencement, le piston libre est asservi hydrauliguement par l'intermédiaire du ~luide moteur ou tampon.
f CA 02239073 1998-06-08 ~.
s Le réducteur de pression pourra comporter au moins un premier piston P1 ayant une section S1 et un deuxième piston P2 de section S2, le premier et le deuxième piston étant disposés sensiblement sur le même axe, le rapport des sections S2/S1 étant compris entre 1 et 10 et de préférence entre 2 et 3.
En négligeant le frottement des joints d'étanchéité des pistons, la pression hydrostatique ainsi transmise au moyen de pompage comportant par exemple un piston libre, est réduite d'un facteur égal à S2/S1.
Les moyens assurant la fonction de pompage, peuvent être formés aussi par une membrane souple déformable disposée sensiblement selon la longueur de la pompe ou par une membrane double ou encore selon un autre mode de réalisation, IS par une ou plusieurs membranes extensibles gonflées et pliées alternativement de manière à créer dans le corps de la pompe la variation de volume de la chambre nécessaire aux phases d'aspiration et de refoulement.
Les opérations de pompage peuvent être. réalisées à
l~aide d'un dispositi~ de c~mm~n~ et de génération de cycle de pression modulée en surface. Le fluide moteur est par exemple une huile hydraulique classique, ou du gas-oil soigneusement filtré, éventuellement de l'eau traitée pour éviter la corrosion.
2~ Le système de pompage aelon l'invention s'appli~ue particulièrement bien au pompage de fond d'un effluent de type pétrolier ou éventuellement d'eau de gisements aquifères.
Par rapport aux systèmes de pompage hydrauli~ue selon l'art antérieur, la présente invention offre notam.ment les avantages suivants :
~ le système est simple à réaliser et à exploiter, ~ les clapets peuvent être avantageusement disposés en partie haute de la pompe, pour favoriser l'expulsion en premier du gaz libre en phase de re~oulement de la pompe, ce qui améliore l'efficacité du pompage, ~ CA 02239073 1998-06-08 ~, ~ les volumes morts à l'aspiration peuvent être m; n; mi sés, ~ les risques d'injection notable de li~uide moteur dans le gisement en phase de pompage étant réduits, il est possible de s'affranchir de l'utilisation d'une vanne de type "standing valve" habituellement utilisée dans le domaine du pompage hydraulique classi~ue, ~ l'ensemble réducteur de pression/pompe de fond peut être mis en place de différentes manières, par exemple en le suspendant a un coil-tubing déroulé en surface, ou en le descendant simplement depuis un sas en surface vers le fond par simple gravité à l'intérieur d~un tubing de diamètre suffisant, suivant la techni~ue des pompes hydrauliques libres.
En outre, pour les options de pompes actionnées par l~intermédiaire d'un li~uide hydrauli~ue tampon :
~ du fait ~ue les joints du double vérin et de la pompe sont au contact avec le li~uide moteur propre, la longévité du système est améliorée, ~ les efforts mécani~ues appliqués aux moyens de pompage sont minim; sés, car les deux chambres de la pompe comportant le li~uide moteur et la production sont ~uasiment en é~uipression, en phase de re~oulement comme d'aspiration, ~ il n'est pas nécessaire d'aligner les moyens de pompage exactement sur l'axe du double vérin, ce ~ui facilite la mise en place du système, par exemple en présence d'une çomplétion de médiocre ~ualité.
D'autres avantages et caractéristi~ues de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, en se référant aux dessins annexés où :
~ la figure 1 représente le principe d'un système de pompage hydrauli~ue selon l'invention disposé à l'intérieur d'un tubing, comportant un réducteur de pression composé d~un ~ CA 02239073 l998-06-08 double piston, le piston de plus large section jouant directement le rôle de piston de pompage de la production, ~ les figures 2, 3 et 4 schématisent des exemples de circuit de puissance hydrauli~ue en surface permettant de générer des cycles de pression modulée, ainsi ~ue la forme de ces cycles de pression modulée générés en surface, ~ la figure 5 représente une variante du système de pompage hydraulique comportant un réducteur de pression et l'utilisation d'un fluide tampon, comportant une partie ~ réducteur de pression ~ et une partie pompe de ~ond, les deux parties commnn;~uant, ~ la figure 6 montre une variante de disposition des clapets de la partie pompe de fond du système de la figure 5, ~ la figure 7 montre une variante pour la~uelle la pompe de IS fond comporte une mem.brane délimitant une chambre de pompage, ~ les ~igures 8, et 9 schématisent selon une coupe et selon une section, la partie ae pompe de fond é~uipé d'une membrane déformable, ~ les ~igures 10, 11 et 12 schématisent en coupe et selon une section la partie de la pompe de fond comportant une double membrane déformable, ~ la ~igure 13 montre une variante de réalisation de la pompe de fond comportant une membrane élasti~ue apte à expansion ou rétraction sous l'action de la pression modulée du li~uide moteur, . la figure 14 schématise une autre variante de réalisation comportant des moyens permettant de disposer l'ensemble du système à l;intérieur d~un p~l~s de produc~io~, . les ~igures 15A à 15F schématisent les principales étapes du ~onctionnement normal d~un dispositif de pompe à piston libre, et ~ les figures 16A à 16F montrent les principales étapes de fonctionnement du même dispositif de pompe à piston libre lors de la procédure de regénération du volume de li~uide tampon, ainsi ~u~au stade de la regénération du vide dans ~ CA 02239073 1998-06-08 le volume situé entre les deux pistons du réducteur de pression.
La description ~ui suit concerne un système de pompage hydraulique utilisé pour le pompage de ~ond et ~ui peut être disposé à l'intérieur d'un tubing ou casing.
L'expression "volumetrique alternatif hydraulique~
désigne un système de pompage comportant une pompe ayant des chambres de volume variable alternativement, en fonction de la ~uantité d'effluents pompée ou re~oulée, et un système de transfert de puissance utilisant un ~1uide hydraulique, comparativement à un système de pompage de type centrifuge ou rotodynamique.
Pour simplifier, l'expression "système de pompage"
IS désigne dans la suite de la description un "système de pompage volumétri~ue alternatif hydrauli~ue".
La première liaison hydraulique entre le ~ond et la sur~ace peut être assurée par un tubing de faible diamètre dans le~uel un liquide moteur est transféré de manière alternative.
La seconde liaison fond/sur~ace permettant à la production ou au brut pompé avec l'eau et le gaz associé de remonter, peut être constituée par l'espace annulaire entre ce tubing et un tubing de diamètre supérieur, qui peut être ~ormé par le casing.
Cette disposition, habituellement utilisée dans ce domaine, n'empêche nullement d'adopter le sens de circulation inverse pour produire par le tubing intérieur, c'est-à-dire remonter le ~luide pompé par ce tubing.
Le système de pompage comporte un moyen permettant de réduire la pression du ~luide moteur, ~ui peut être constituée d'un double vérin ayant deux pistons P1 et P2 ayant des sections de taille différentes. Le li~uide hydraulique moteur peut être constitué d'hydrocarbures tel ~ue du gas-oil, ou par un li~uide hydrauli~ue spécial, ou encore par de l~eau traitée. Une petite partie de ce li~uide moteur peut servir de ~1uide tampon pour transmettre la CA 022390;3 l998-06-08 pression motrice à la partie pompe du dispositi~ de pompage de fond.
La ~igure 1 décrit un système de pompage comprenant une S enceinte 1 cylindrique ~ui peut présenter des variations de section ou de diamètre, comportant deux parties I et II, la première partie pouvant être assimilée à une partie motrice et la seconde partie II à une pompe de ~ond.
La partie I de l~enceinte 1 est en liaison avec un conduit 24 permettant d'introduire le ~luide moteur.
A l'intérieur de cette enceinte 1 se trouvent disposés des moyens 3 gui permettent de réduire la pression du fluide moteur gui est transmise à la pompe de ~ond ou partie II, tel qu'un double piston ou double vérin, comprenant un piston Pl de section Sl et un piston P2 de section S2. Le piston Pl est disposé dans la partie I alors ~ue le piston P2 est situé
dans la pompe de ~ond ou partie II de manière à jouer le rôle d'élément de pompage et à ~ormer avec cette dernière une chambre de pompage 5 à volume variable. Le rapport des sections S2/Sl est de pré~érence compris entre 1 et 10, et de préférence entre 2 et 3. Les deux pistons Pl et P2 sont reliés par un axe creux 4 dont le diamètre externe est proche du diamètre interne de la partie I du système. De cette manière, le double piston ~orme avec la paroi i~térieure du système un espace 12, le volume de l'espace ainsi formé étant de pré~érence le plus ~aible possible. Ce volume est de pré~érence mis sous vide, ou encore sous une basse pression d'air ou d'azote, ou encore à la pression atmosphéri~ue, ces conditions pouvant être générées au démarrage de la production.
Les pistons Pl et P2 du réducteur de pression 3 sont é~uipés respectivement de garnitures d'étanchéité 6 et 7 spécialement adaptées au travail de vérins sous pressions élevées, telles que des garnitures utilisées dans les accumulateurs oléopneumati~ues à piston libre.
Un ressort mécani~ue lO servant de moyen de rappel auxiliaire vers le haut du piston Pl peut être logé à
CA 02239073 l998-06-08 l'intérieur du double piston 3. Il peut être constitué d'un unique ressort ou d'un empilement de petits ressorts en forme de rondelles élastiques, guidés par un dispositif mécani~ue 11 axial ou cylindri~ue.
La partie pompe de fond comporte un conduit d'aspiration 16 é~uipé d'un clapet d'aspiration 17 et un conduit de refoulement 18 muni d'un clapet de refoulement 19.
Le dispositif de pompage est disposé dans le casing 2, maintenu par des moyens 20, tel qu'un système d'ancrage de la pompe et communi~ue avec un gisement 21 par l'intermédiaire du conduit d'aspiration 16.
Le fluide pompé issu du conduit de refoulement 18 remonte par exemple par l'espace 22 formé par la paroi interne du casing et l'enceinte 1.
Selon un mode de réalisation, le vide de l'espace 12 ou son maintien à basse pression est préservé grâce à un clapet 13 taré sous faible pression, fixé de préférence au niveau de la partie 14 séparant les deux parties I et II de l'enceinte 1. Ce clapet 13 permet d'éliminer une petite ~uantité de fluide éventuellement présente dans le volume vide 12 à
cha~ue cycle de pompage, en fin de phase de remontée du double vérin, au moment où le volume de cet espace vide est minim~l Le clapet 13 est relié par un très fin tubing 15 au conduit d'aspiration de la pompe 16, afin d'évacuer d'éventuelles fuites. Ce clapet de préservation du vide 13 peut également être incorporé dans le piston inférieur P2 du double vérin, de manière à permettre l'élimination de fluides piégés dans l'espace vide 12 directement avec la production par la chambre de pompage 5.
Un joint élasti~ue 23, par exemple de forme plate ou tori~ue, peut être implanté sur la face supérieure du piston P2 de manière à réaliser en fin de course ascendante une étanchéité avec la pla~ue de liaison 14 des parties I et II
(partie motrice et partie pompe de fond). Ceci permet, d'une part, d'enfermer les faibles volumes de li~uide éventuellement entrés dans l'espace vide pour faciliter leur élimination par le clapet de purge avant ~ue ce li~uide l l puisse atteindre le niveau du joint du petit piston du double vérin et emplir ainsi totalement le volume normalement vide, d~autre part, d'amortir la fin de course ascendante du piston.
Le système de purge de l'espace, associé au ressort de rappel vers le haut du double piston du réducteur de pression, permet de rendre plus énergi~ue l~expulsion des ~luides piégés au travers du clapet de purge. Ces moyens de rappel, de type mécani~ue (ressort), pneumatique (accumulateur) ou magnéti~ue (aimants), seront de pré~érence disposés en dessous du réducteur de pression. En négligeant les ~rottements et les faibles gradients de pression nécessaires à l'ouverture des clapets d'aspiration de la production dans la pompe et d'évacuation des ~luides piégés dans l'espace vide du double vérin, la force F de rappel vers le haut du moyen de rappel doit satis~aire à la condition :
F > pMghsl-pasps2 où :
PM est la masse volumique du liquide moteur, g représente la constante de gravité locale (environ 9,8 m/s2), h est la pro~ondeur de la pompe, Pasp est la pression d'aspiration du ~1uide de gisement, S1 la section du petit piston du réducteur de pression, S2 la section du grand piston du réducteur de pression.
L'application de cette ~ormule montre que pour des rapports S2/S1 supérieurs à 2, avec un li~uide moteur constitué de gas-oil léger, le moyen de rappel est uniquement nécessaire lors~ue la pression d~aspiration du gisement devient ~aible, par exemple en ~in de vie du gisement. Dans une telle situation, l'application de la ~ormulation précédente montre ~ue la ~orce de rappel nécessaire est de l'ordre de quel~ues centaines de kilogrammes, et bien -CA 02239073 l998-06-08 inférieure à celle P nécessaire pour contrebalancer directement tout le poids de la colonne de liquide moteur.
De plus ces moyens auxiliaires de rappel, en réduisant la pression de la colonne de liquide hydraulique motrice, peuvent aussi contribuer à accélérer la cadence de pompage en réduisant la durée de remplissage de la chambre de pompage en phase d'aspiration.
Le principe de fonctionnement du système peut s'expliquer par exemple selon les étapes suivantes :
La partie I de l'enceinte est reliée à un tubing 24 permettant d'amener le fluide moteur dans le double vérin.
Ainsi, lorsque le fluide moteur est injecté dans l~enceinte 1 par le tubing 24, le double piston P1, P2 lS s'abaisse, le clapet d'aspiration 17 se ferme, le clapet de refoulement 18 s'ouvre et la production est expulsée vers la surface par l~espace annulaire 22. Lorsque le ~1uide moteur est décomprimé depuis la surface, le piston P2 du double vérin s'élève, le clapet d'aspiration de la production 17 s'ouvre tandis que le clapet de refoulement 19 se referme, et la production venant du gisement 21 est aspirée dans la chambre de pompage 5 au travers du système d'ancrage 20 du dispositif de pompage par le conduit d'aspiration de la pompe 16.
Par ailleurs, le tubing 24 de circulation du liquide moteur peut être éguipé d'une vanne de circulation latérale (non représentée sur la figure) de type classique en exploitation pétrolière, installée au fond juste au dessus du dispositif de pompage, pour permettre la mise en place du liquide moteur et le démarrage du système. Ce tubing peut également être équipé d'un système classique de coulisse pour éviter d'induire des contraintes mécani~ues sur le système de pompage de fond et ses moyens de maintien et de mise en place dans le casing 2, du fait des variations de longueur du tubing de circulation du liquide moteur sous l'action de la pression interne modulée.
CA 02239073 l998-06-08 La mise en oeuvre du système de pompage selon l'invention est décrite en relation avec les figures 2 et 3 gui montrent deux exemples de réalisation de circuit hydraulique permettant de générer un cycle de pression motrice à titre explicatif et nullement limitatif.
La figure 2 schématise un exemple de réalisation d'un circuit hydraulique permettant de générer les cycles précédemment décrits. Le circuit comporte par exemple un réservoir 30 de liquide moteur relié par un conduit 31 à une pompe 32 à débit réglable, munie par exemple d'un limiteur de pression 33 disposé en parallèle. Une conduite 34 se divise par exemple en une première branche 34a reliant la sortie de la pompe 32 au conduit d'introduction du liquide moteur du système de pompage hydraulique. Un manomètre 35 et un accumulateur 36 permettant de récupérer au moins une partie de l'énergie inutilisée dans les phases de décompression du liquide moteur, si la pompe est à débit constant, sont reliés à la première branche. Une seconde branche 34b munie d'une vanne V2, retourne vers le réservoir 30 du liquide moteur.
Les deux branches 34a et 34b, peuvent être reliées par une vanne de by-pass V3 pour faciliter les redémarrages ou les arrêts du système de pompage. Les vannes V1 et V2 asservies aux pressions, avec temporisation pour assurer les paliers de pression basse et haute des cycles, permettent alors de générer convenablement les différentes phases de mise en pression de la conduite.
Les cycles de pression générés en surface comportent schématiquement quatre phases représentées dans un diagramme temps, pression, à la figure 4 :
~ PH1, une phase de montée en pression du liquide moteur dont la durée dépend principalement de la puissance de la pompe de surface, ~ PH2, une phase d'expulsion rapide de la production entrée dans la pompe de fond, à pression sensiblement constante, ~ PH3, une phase de redescente de la pression motrice, ~ui peut être également rapide et ~ui dépend essentiellement des pertes de charge hydraulique, ~ PH4, une phase de maintien à la pression minim~le voisine S de la pression atmosphérique, destinée à permettre l~admission de la production dans la pompe de fond et dont la durée doit être choisie suffisante pour permette un remplissage correct de la pompe de fond (partie II du système de pompage).
L'opération de pompage s'opère en mode discontinu : le li~uide moteur est injecté et soutiré suivant des cycles de pression modulée, ~ui sont c~mm~n~és depuis la surface et peuvent être analysés et optimisés. La pression du li~uide moteur transférée à la pompe de fond est réduite au fond par le réducteur de pression. Lorsque la valeur de pression motrice réduite décroît et devient inférieure à la pression des fluides du gisement à l'aspiration de la pompe, le fluide à pomper est alors aspiré dans la pompe. Lors~ue la pression réduite augmente et dépasse la pression de refoulement, le fluide pompé et contenu dans la cham~re à volume variable en liaison avec le conduit d~aspiration est expulsé par l~intermédiaire du conduit de refoulement et remonte vers la surface par l'intermédiaire de l'espace annulaire entre le corps de la pompe et le casing ou le tubing de production.
La fré~uence des cycles et donc le débit de la pompe de fond peut être réglée en ajustant en surface le débit de la pompe d'alimentation en li~uide moteur. Le système peut être réglé en surface, par exemple au moyen de vannes asservies commandées par des capteurs de pression ou par une pompe hydraulique asservie Les cycles de pression motrice en surface peuvent être enregistrés en fonction du temps ou du débit du li~uide moteur et analysés de manière à en déduire les performances du pompage et intervenir si nécessaire.
L'analyse de la forme des cycles de pression peut permettre de détecter des problèmes dans le procédé, comme l'usure éventuelle d'un élément du système.
CA 02239073 l998-06-08 La cadence des cycles de pression et leurs extrêma est de préférence réglée de manière à assurer le remplissage de la pompe de fond et sa vidange sans dépression ni surpression exagérée au fond. Le ~ ncionnement du procédé, basé sur l'utilisation d'une pompe volumétrique hydrauligue de fond, peut être réalisé en tenant compte notamment des coefficients de frottement hydrauligues et/ou mécanigues et de l'efficacité du remplissage du corps de la pompe de fond.
Le même circuit de génération des cycles peut, sans sortir du cadre de l'invention, être relié à plusieurs puits et ainsi permettre l'activation simultanée de ces puits, de préférence en déphasant leurs cycles de pression.
Selon un autre exemple de réalisation, les cycles de pression modulée peuvent également être générés en surface par une pompe hydrauligue à débit variable double sens, comme il est représenté sur la figure 3. Dans ce cas, le réservoir de liguide moteur 30 est relié directement par le conduit 31 à une pompe de puissance 37 à débit asservi et pouvant fonctionner dans les deux sens. La sortie de la pompe est reliée au conduit d'introduction du liguide moteur du système de pompage par un conduit unigue 34. Un capteur de pression 38 disposé au niveau de la conduite de sortie de la pompe permet avantageusement de contrôler les opérations.
Dans les deux cas, la génération des cycles de pression peut être contrôlée à l'aide d'un micro-contrôleur 39 gui offre notamment comme avantage la possibilité d'analyser chague phase de compression et de décompression du cycle en se référant aux conditions antérieures, par exemple afin d'estimer la composition de la production (GOR à
l'aspiration) et d'optimiser son débit.
Dans le cas de fluide ou de bruts corrosifs, les joints d'étanchéité disposés au niveau du piston P2 pourraient être rapidement détériorés et ne plus remplir alors leur fonction.
~ CA 02239073 l998-06-08 .
De façon à éviter ce genre de problème, la figure 5 montre une variante de réalisation où le système comporte deux parties séparées par un fluide tampon, pour que les joints d'étanchéité du piston P2 soient en contact avec un fluide propre (fluide tampon) au lieu d'être en contact avec le fluide produit.
Les ~igures 5 à 13 décrivent differentes variantes du système de pompage hydrauligue décrit à la figure l, qui comportent tous cette disposition en deux parties et l'utilisation d'un fluide tampon. Dans les différentes variantes de réalisation, les parties motrice et pompe de fond sont découplées et le fluide tampon est utilisé comme fluide moteur. Il permet de transférer de manière souple et avec le m;n;mllm de frottements la puissance du fluide moteur à la pompe.
La figure 5 montre une variante de réalisation où
l'enceinte 1 comporte deux parties 40 et 41 en liaison par exemple par un conduit 42.
La partie 40 comporte le dispositif réducteur de pression 3, par exemple le double vérin représenté sur la figure 1. Les éléments communs entre cette figure et la figure 1 ne sont pas rappelés.
De manière à permettre l'introduction du fluide hydrauligue, le piston P1 est relié à un conduit 43 et à un clapet 44 gui laisse passer le fluide tampon hydrauligue à
l'intérieur de l'axe du creux du double vérin, dans le conduit 42 souple ou rigide et jusqu'à la face supérieure d'un piston libre 47 de la pompe de fond 41. Le clapet 44 est un clapet taré sous fort gradient de pression (de l'ordre de quelgues dizaines de bar), fixé au piston P1, à l'intérieur ou à l'extérieur de ce dernier.
A l'extrémité de la partie 40 voisine du piston P2, se trouve le conduit 42, par exemple un tube de liaison, gui permet le passage du fluide moteur vers la partie 41.
La partie 41 représente le corps de la pompe de fond.
Elle est séparée par le piston libre 47, en deux chambres 46, 48 de volume variable. Le piston peut être éguipé de joints CA 02239073 l998-06-08 d'étanchéité 49 permettant d~assurer l'étanchéité entre les deux chambres lors de son coulissement. Le piston libre peut aussi être pourvu d'un clapet 50 permettant de préserver le volume de fluide tampon introduit par le clapet de remplissage de fluide hydraulique et remplissant le creux de l'axe du double piston, une partie de la chambre de pompage du fluide tampon et la chambre de volume variable 46.
La chambre de pompage de la production 48 à volume variable, constituée par la partie inférieure du corps de pompe 41 sous le piston libre 47, a un volume gui varie en fonction de la position du piston P2 du réducteur de pression, auguel le piston libre 47 est asservi hydrauliguement par l'intermédiaire du liguide tampon. Le fonctionnement alternatif de la pompe, avec phases opposées d'ouverture et de fermeture des clapets d'aspiration de la production 17 et de re~oulement 19, est similaire à celui décrit pour l'option décrite précédemment figure 1 Lorsgue l'on introduit le fluide moteur ou li~uide moteur, le piston P2 du double vérin vient en butée sur le ~ond de la partie 40, et le piston llbre 47 de la partie 41, ou pompe, vient en butée avec le ~ond de 1a pompe.
La présence du clapet 50 taré sous une charge un peu plus faible gue celle du clapet g4 (~ixé sur le piston P1), permet l'entraînement éventuel d'impuretés ou d'inclusions de gaz dans le circuit moteur, et constitue une protection contre d'éventuelles surpressions lors de cette opération de remplissage. Une certaine ~uantité de ~1uide tampon est introduite par le clapet 44 de façon ~ue le clapet 50 s'ouvre et laisse passer le fluide pollué vers le conduit d'évacuation de la pompe de ~ond. Le fluide tampon pollué est évacué par l'espace annulaire 22. Ce clapet peut être disposé
à l'i~térieur du piston libre 47, ou éventuellement sur le haut du corps de pompe 41.
1a mise en circulation du liguide moteur avec contrôle du volume de li~uide tampon, doit s'effectuer à la mise en place de la pompe, puis en cas de dé~icit ou d'excès de ce fluide tampon détecté par l'analyse en surface des ~ CA 02239073 l998-06-08 .
performances des cycles de pompage, à effectuer de manière périodigue.
La pompe de ~ond, dans cet exemple de réalisation, est une pompe à simple effet, sous-jacente pour simplifier son installation et améliorer son efficacité. Elle est constituée de matériaux capables de résister à l'action de fluides tels que des bruts polyphasigues chauds, abrasifs et corrosifs.
la figure 6 représente une variante du dispositif de la figure 5 où les moyens d'aspiration et de refoulement, respectivement un conduit 60, 61 et des clapets 62, 63 sont disposés au niveau de la partie supérieure du corps de pompe.
Dans cette exemple de disposition, le conduit 64 mettant en commnn; cation la partie motrice et la partie pompe de fond et permettant le passage du fluide hydraulique moteur, est relié à la partie inférieure de la pompe de fond et le conduit d'aspiration 60 partant du gisement 21 remonte le long du corps de pompe. La présence de ces conduits nécessite un corps de pompe plus étroit gue celui du dispositif de la figure 1 du fait de l'encombrement de ces conduits qui doit être compensé par un allongement du corps de pompe de manière à obtenir la correspondance entre le volume de pompage et la capacité d'injection de fluide tampon par le double vérin.
Le clapet 65 de préservation du volume de fluide tampon est disposé au niveau du piston libre de manière opposée à
celui de la figure 5 du fait de la position des conduits d~aspiration et de refoulement.
La disposition en position haute des moyens de refoulement (61, 63) de la pompe de fond améliore l'efficacité du pompage en présence de gaz libre.
D'autres modes de réalisation du dispositif de pompage sont brièvement décrits aux figures 7 à 13. Ils di~férent de la figure 5 par la constitution de l'interface souple jouant le rôle de piston libre et servant à générer les chambres à
volume variable, ainsi que par le mode de mise en place de la CA 02239073 l998-06-08 pompe ou le sens de circulation des fluides dans la complétion.
Du fait des similitudes existant avec les figures précédentes, seules les parties des figures représentant la S pompe de fond ont été représentées, elles sont toutes reliées par un conduit de type 42 à une partie motrice.
Le piston libre 47 est remplacé par une membrane 70 étanche, souple et déformable sous l'action alternée de l'aspiration et du refoulement d'un li~uide hydraulique tampon, de manière à constituer une chambre d'aspiration et de refoulement à volume variable.
La membrane élastique 70 peut être réalisée en élastomère de synthèse résistant aux hydrocarbures.
Un caoutchouc nitrile pourrait être utilisé pour des 15 températures de froid atteignant 110~ à 130~C. Un nitrile hydrogéné permettrait de fonctionner jusqu'à 130 à 150~C.
Pour des températures supérieures, des polymères fluores, du type Viton, seraient à sélectionner. La membrane peut être normalement cylindri~ue, disposée selon l'axe longitudinal de la pompe et sertie à ses deux extrémités 71, 72 dans des pièces d'adaptation 73, 74 commllni~uant avec les deux clapets respectivement d'aspiration et de refoulement de la production. La membrane élastique 70 est disposée de manière à définir deux chambres de pompage à volume variable référencées respectivement 75, 76.
La chambre à volume variable 75 communique avec les conduits d~introduction de la production 72 et de refoulement 78 muni d'un clapet 79. Le conduit de refoulement 78 débouche dans l'espace annulaire 22.
La chambre à volume variable 76, est reliée au conduit permettant l'introduction du fluide tampon du réducteur de pression vers la pompe de fond.
Le conduit de refoulement 75 et le clapet de refoulement 76 sont par exemple disposés au niveau de la partie supérieure du corps de pompe, alors ~ue le conduit d'aspiration 77 et le clapet d'aspiration sont disposés à
~ CA 02239073 l998-06-08 r l'opposé dans la partie inférieure ainsi que le clapet de préservation du volume de liquide tampon.
Le corps de pompe peut être pourvu de moyens 73 tels ~ue des grilles - évitant à la membrane d'être endommagée S lorsqu'elle se gonfle ou se rétracte au cours des opérations de pompage. Les grilles peuvent également être mises en place au niveau du conduit de liaison 42 et sur les conduits d'aspiration et de refoulement.
La forme du corps de pompe peut aussi être choisie en conséquence afin de limiter la déformation de la membrane lors des phases de remplissage et de refoulement du fluide tampon.
Les figures 8 et 9 schématisent une vue en coupe et lS selon une section 9-9 d'un système de pompage équipé d'une membrane souple et déformable créant une chambre de pompage de volume varia~ie à l!in~érle-u~ d'un co ~s de po,..pe de or~.e adaptée, l'ensemble du dispositif de pompage étant mis en place en le suspendant à un coil tubing, la production remontant par l'espace annulaire tub1ng de production/tubing de circulation du fluide moteur, La membrane 80 peut être une toile plane caoutchoutée et étanche. Elle est fixée par exemple par un premier de ses côtés 81 et sur toute la longueur de ce premier côté à la paroi interne du corps de la pompe, et par un second côté 82 et sur toute la longueur de ce second côté à un endroit opposé de la paroi interne du corps de la pompe, de ~açon à
former une chambre de pompage à volume variable. La paroi du corps de pompe présente ici une forme plus complexe compte tenu des possibilités de déformation d'une stucture toilée.
Les clapets d'aspiration 83 et de refoulement 84 sont équipés de grilles 85, 86 disposées au niveau de la paroi interne du corps de la pompe, ayant not~mm~nt pour fonction de limiter la déformation de la membrane, par exemple en évitant qu'elle ne pénètre dans le conduit d'aspiration ou de refoulement où elle pourrait être détériorée. Une telle intrusion pourrait être due à une variation soudaine et/ou importante de la pression du fluide pompé ou du liquide tampon.
Les figures 10, 11 et 12 montrent une vue en coupe et S selon une section d'une autre variante de réalisation, où la membrane simple toilée utilisée précé~mm~nt (figure 8) est remplacée par une mem~rane double 90 de même matière. La membrane double est constituée de deux interfaces déformables 91, 92, distincts de façon à pouvoir créer une chambre ou IO espace 93 à volume variable. Ainsi, lors de la phase de refoulement du fluide pompé vers la surface, les parties 91 et 92 s'écartent, le volume de espace 93 augmente, les parties 91 et 92 peuvent venir se pla~uer sur la paroi interne du corps de la pompe (figure 12), alors ~u'au cours de la phase d'aspiration du fluide à pomper, les parties 91 et 92 ont tendance à se rapprocher, le volume de la chambre diminuant (figure 11).
Les parties 91 et 92 sont fixées respectivement dans les parties in~érieures et supérieures du corps de pompe par des moyens appropriés, connus de l'homme de métier ~ui ne seront pas détaillées à nouveau.
Le ou les clapets de refoulement 94, 95 sont par exemple disposés au niveau de la partie supérieure de la pompe. Les clapets d'aspiration 96 et/ou de refoulement sont de préférence associés à des grilles semblables aux grilles 85, 86 décrites à la figure 8. Le conduit 97 permettant d'introduire le fluide tampon et moteur, est en communication avec la chambre 93 et est disposé de préference au voisinage de l'axe central du système.
la figure 13 montre une vue en coupe d'une variante de réalisation comportant une membrane élasti~ue apte à
expansion ou rétraction sous l'action de la pression modulée du liquide moteur. Le corps de pompe est pourvu d'une membrane élasti~ue 100 extensible de type baudruche, par exemple constituée en élastomère de synthèse résistant aux hydrocarbures, qui est gonflée et dégonflée alternativement CA 02239073 l998-06-08 de manière à créer la variation de volume de la chambre dans le corps de la pompe nécessaire aux phases d'aspiration et de refoulement. La pompe est suspendue ici au tubing de transfert du fluide moteur et la production remonte par S l~espace annulaire.
Il est possible d'utiliser plusieurs vessies en matériaux non extensibles étanches, par exemple des tissus caoutchoutés, imbrigués de façon gue le volume mort dans la chambre de compression soit aussi réduit gue possible. Dans ce cas, les clapets d'aspiration et de refoulement sont éguipés de grilles telles gue décrites précé~mm~nt ayant notamment pour fonction d'éviter à la membrane de se détériorer, par exemple en limitant son parcours et en évitant gu'elle pénètre à l'intérieur du conduit de lS refoulement.
La figure 14 schématise une variante du système où la partie motrice est pourvue de moyens permettant d'installer l'ensemble du système de pompage au fond d'un puits par wireline.
Sur cette figure donnée à titre d'illustration, la remontée s'effectue par l'intérieur du tubing de production, le liguide moteur circulant dans l'espace annulaire casing/tubing de production.
25La partie motrice est éguipée au niveau de sa partie supérieure d'une partie 101 reliée à un tube 102, ce dernier étant maintenu à l'intérieur du casing par des packers 103.
La partie 101 comporte un passage 104 du fluide moteur vers la partie motrice et un passage 105 du ~1uide pompé par la pompe de fond vers l'intérieur du tubing de remontée de la production.
Les figures 15A à 15F représentent les principales séguences d'un cycle de pompage normal, montrant, suivant la position du double piston du réducteur de pression 3, la position du piston libre de la pompe 43 et l'état des clapets d~aspiration 17 et de refoulement 13 de la pompe.
CA 02239073 l998-06-08 Les figures 16A à 16F schématisent en~in les étapes de régénération du volume de liquide tampon lorsqu~il y a pollution de ce dernier par du ~luide pompé ou encore lorsgu'il y a eu des fuites :
~ lors de la procédure de régénération du volume de li~uide tampon commandée en surface en cas de perte ou de gain de ce volume provo~ués éventuellement par des fuites aux di~férents clapets et joints du dispositi~ de pompage : les clapets 23, 50 et 19 convenablement tarés permettent de mettre en place le li~uide tampon, de le renouveler s'il en man~ue ou d'évacuer un excès si nécessaire, ~ lors des étapes de régénération du volume vide situé entre les deux pistons du réducteur de pression, notamment en cas d~usure et de perte d'étanchéité des joints de ce double piston : les ~luides ayant envahi cet espace sont évacués au travers d'un clapet taré 13 de préférence relié par un tubing de petit diamètre 1~ avec le tubing de production au dessous du clapet d'aspiration de la production.
Le système réducteur de pression peut être choisi à
courses relativement longues, par exemple des courses supérieures à un mètre, de manière à réduire les pertes d~énergies par inertie et à limiter les fuites et l'usure au niveau des clapets. Un tel mode de réalisation améliore l'efficacité du pompage.
La vitesse de déplacement du piston réducteur de pression est choisie de préférence inférieure à 1 m/s afin de réduire les ris~ues d'usure des joints coulissants disposés au niveau du dispositif.
Le système selon l'invention trouve avantageusement son application pour la production de puits petits producteurs de bruts, par exemple en fin d~exploitation des puits.
Il s'adapte aisément pour différentes conditions, ~uelque soit la profondeur d'immersion de la pompe, la température et la pression de fond, la déviation du puits, la .
nature du gisement et son environnement, ou quelque soit les propriétés du brut et des phases associées, sous réserve qu'ils respectent des conditions m;niml~m de pompage, par exemple une teneur en sable ou sédiments non excessive et une viscosité du brut pas trop élevée.
Ainsi, il trouve son application optimale pour la production de puits petits producteurs à ~aibles pro~ondeurs et ~ortes déviations.
Par rapport aux systèmes de pompage hydrauli~ue selon l'art antérieur, la présente invention offre notam.ment les avantages suivants :
~ le système est simple à réaliser et à exploiter, ~ les clapets peuvent être avantageusement disposés en partie haute de la pompe, pour favoriser l'expulsion en premier du gaz libre en phase de re~oulement de la pompe, ce qui améliore l'efficacité du pompage, ~ CA 02239073 1998-06-08 ~, ~ les volumes morts à l'aspiration peuvent être m; n; mi sés, ~ les risques d'injection notable de li~uide moteur dans le gisement en phase de pompage étant réduits, il est possible de s'affranchir de l'utilisation d'une vanne de type "standing valve" habituellement utilisée dans le domaine du pompage hydraulique classi~ue, ~ l'ensemble réducteur de pression/pompe de fond peut être mis en place de différentes manières, par exemple en le suspendant a un coil-tubing déroulé en surface, ou en le descendant simplement depuis un sas en surface vers le fond par simple gravité à l'intérieur d~un tubing de diamètre suffisant, suivant la techni~ue des pompes hydrauliques libres.
En outre, pour les options de pompes actionnées par l~intermédiaire d'un li~uide hydrauli~ue tampon :
~ du fait ~ue les joints du double vérin et de la pompe sont au contact avec le li~uide moteur propre, la longévité du système est améliorée, ~ les efforts mécani~ues appliqués aux moyens de pompage sont minim; sés, car les deux chambres de la pompe comportant le li~uide moteur et la production sont ~uasiment en é~uipression, en phase de re~oulement comme d'aspiration, ~ il n'est pas nécessaire d'aligner les moyens de pompage exactement sur l'axe du double vérin, ce ~ui facilite la mise en place du système, par exemple en présence d'une çomplétion de médiocre ~ualité.
D'autres avantages et caractéristi~ues de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, en se référant aux dessins annexés où :
~ la figure 1 représente le principe d'un système de pompage hydrauli~ue selon l'invention disposé à l'intérieur d'un tubing, comportant un réducteur de pression composé d~un ~ CA 02239073 l998-06-08 double piston, le piston de plus large section jouant directement le rôle de piston de pompage de la production, ~ les figures 2, 3 et 4 schématisent des exemples de circuit de puissance hydrauli~ue en surface permettant de générer des cycles de pression modulée, ainsi ~ue la forme de ces cycles de pression modulée générés en surface, ~ la figure 5 représente une variante du système de pompage hydraulique comportant un réducteur de pression et l'utilisation d'un fluide tampon, comportant une partie ~ réducteur de pression ~ et une partie pompe de ~ond, les deux parties commnn;~uant, ~ la figure 6 montre une variante de disposition des clapets de la partie pompe de fond du système de la figure 5, ~ la figure 7 montre une variante pour la~uelle la pompe de IS fond comporte une mem.brane délimitant une chambre de pompage, ~ les ~igures 8, et 9 schématisent selon une coupe et selon une section, la partie ae pompe de fond é~uipé d'une membrane déformable, ~ les ~igures 10, 11 et 12 schématisent en coupe et selon une section la partie de la pompe de fond comportant une double membrane déformable, ~ la ~igure 13 montre une variante de réalisation de la pompe de fond comportant une membrane élasti~ue apte à expansion ou rétraction sous l'action de la pression modulée du li~uide moteur, . la figure 14 schématise une autre variante de réalisation comportant des moyens permettant de disposer l'ensemble du système à l;intérieur d~un p~l~s de produc~io~, . les ~igures 15A à 15F schématisent les principales étapes du ~onctionnement normal d~un dispositif de pompe à piston libre, et ~ les figures 16A à 16F montrent les principales étapes de fonctionnement du même dispositif de pompe à piston libre lors de la procédure de regénération du volume de li~uide tampon, ainsi ~u~au stade de la regénération du vide dans ~ CA 02239073 1998-06-08 le volume situé entre les deux pistons du réducteur de pression.
La description ~ui suit concerne un système de pompage hydraulique utilisé pour le pompage de ~ond et ~ui peut être disposé à l'intérieur d'un tubing ou casing.
L'expression "volumetrique alternatif hydraulique~
désigne un système de pompage comportant une pompe ayant des chambres de volume variable alternativement, en fonction de la ~uantité d'effluents pompée ou re~oulée, et un système de transfert de puissance utilisant un ~1uide hydraulique, comparativement à un système de pompage de type centrifuge ou rotodynamique.
Pour simplifier, l'expression "système de pompage"
IS désigne dans la suite de la description un "système de pompage volumétri~ue alternatif hydrauli~ue".
La première liaison hydraulique entre le ~ond et la sur~ace peut être assurée par un tubing de faible diamètre dans le~uel un liquide moteur est transféré de manière alternative.
La seconde liaison fond/sur~ace permettant à la production ou au brut pompé avec l'eau et le gaz associé de remonter, peut être constituée par l'espace annulaire entre ce tubing et un tubing de diamètre supérieur, qui peut être ~ormé par le casing.
Cette disposition, habituellement utilisée dans ce domaine, n'empêche nullement d'adopter le sens de circulation inverse pour produire par le tubing intérieur, c'est-à-dire remonter le ~luide pompé par ce tubing.
Le système de pompage comporte un moyen permettant de réduire la pression du ~luide moteur, ~ui peut être constituée d'un double vérin ayant deux pistons P1 et P2 ayant des sections de taille différentes. Le li~uide hydraulique moteur peut être constitué d'hydrocarbures tel ~ue du gas-oil, ou par un li~uide hydrauli~ue spécial, ou encore par de l~eau traitée. Une petite partie de ce li~uide moteur peut servir de ~1uide tampon pour transmettre la CA 022390;3 l998-06-08 pression motrice à la partie pompe du dispositi~ de pompage de fond.
La ~igure 1 décrit un système de pompage comprenant une S enceinte 1 cylindrique ~ui peut présenter des variations de section ou de diamètre, comportant deux parties I et II, la première partie pouvant être assimilée à une partie motrice et la seconde partie II à une pompe de ~ond.
La partie I de l~enceinte 1 est en liaison avec un conduit 24 permettant d'introduire le ~luide moteur.
A l'intérieur de cette enceinte 1 se trouvent disposés des moyens 3 gui permettent de réduire la pression du fluide moteur gui est transmise à la pompe de ~ond ou partie II, tel qu'un double piston ou double vérin, comprenant un piston Pl de section Sl et un piston P2 de section S2. Le piston Pl est disposé dans la partie I alors ~ue le piston P2 est situé
dans la pompe de ~ond ou partie II de manière à jouer le rôle d'élément de pompage et à ~ormer avec cette dernière une chambre de pompage 5 à volume variable. Le rapport des sections S2/Sl est de pré~érence compris entre 1 et 10, et de préférence entre 2 et 3. Les deux pistons Pl et P2 sont reliés par un axe creux 4 dont le diamètre externe est proche du diamètre interne de la partie I du système. De cette manière, le double piston ~orme avec la paroi i~térieure du système un espace 12, le volume de l'espace ainsi formé étant de pré~érence le plus ~aible possible. Ce volume est de pré~érence mis sous vide, ou encore sous une basse pression d'air ou d'azote, ou encore à la pression atmosphéri~ue, ces conditions pouvant être générées au démarrage de la production.
Les pistons Pl et P2 du réducteur de pression 3 sont é~uipés respectivement de garnitures d'étanchéité 6 et 7 spécialement adaptées au travail de vérins sous pressions élevées, telles que des garnitures utilisées dans les accumulateurs oléopneumati~ues à piston libre.
Un ressort mécani~ue lO servant de moyen de rappel auxiliaire vers le haut du piston Pl peut être logé à
CA 02239073 l998-06-08 l'intérieur du double piston 3. Il peut être constitué d'un unique ressort ou d'un empilement de petits ressorts en forme de rondelles élastiques, guidés par un dispositif mécani~ue 11 axial ou cylindri~ue.
La partie pompe de fond comporte un conduit d'aspiration 16 é~uipé d'un clapet d'aspiration 17 et un conduit de refoulement 18 muni d'un clapet de refoulement 19.
Le dispositif de pompage est disposé dans le casing 2, maintenu par des moyens 20, tel qu'un système d'ancrage de la pompe et communi~ue avec un gisement 21 par l'intermédiaire du conduit d'aspiration 16.
Le fluide pompé issu du conduit de refoulement 18 remonte par exemple par l'espace 22 formé par la paroi interne du casing et l'enceinte 1.
Selon un mode de réalisation, le vide de l'espace 12 ou son maintien à basse pression est préservé grâce à un clapet 13 taré sous faible pression, fixé de préférence au niveau de la partie 14 séparant les deux parties I et II de l'enceinte 1. Ce clapet 13 permet d'éliminer une petite ~uantité de fluide éventuellement présente dans le volume vide 12 à
cha~ue cycle de pompage, en fin de phase de remontée du double vérin, au moment où le volume de cet espace vide est minim~l Le clapet 13 est relié par un très fin tubing 15 au conduit d'aspiration de la pompe 16, afin d'évacuer d'éventuelles fuites. Ce clapet de préservation du vide 13 peut également être incorporé dans le piston inférieur P2 du double vérin, de manière à permettre l'élimination de fluides piégés dans l'espace vide 12 directement avec la production par la chambre de pompage 5.
Un joint élasti~ue 23, par exemple de forme plate ou tori~ue, peut être implanté sur la face supérieure du piston P2 de manière à réaliser en fin de course ascendante une étanchéité avec la pla~ue de liaison 14 des parties I et II
(partie motrice et partie pompe de fond). Ceci permet, d'une part, d'enfermer les faibles volumes de li~uide éventuellement entrés dans l'espace vide pour faciliter leur élimination par le clapet de purge avant ~ue ce li~uide l l puisse atteindre le niveau du joint du petit piston du double vérin et emplir ainsi totalement le volume normalement vide, d~autre part, d'amortir la fin de course ascendante du piston.
Le système de purge de l'espace, associé au ressort de rappel vers le haut du double piston du réducteur de pression, permet de rendre plus énergi~ue l~expulsion des ~luides piégés au travers du clapet de purge. Ces moyens de rappel, de type mécani~ue (ressort), pneumatique (accumulateur) ou magnéti~ue (aimants), seront de pré~érence disposés en dessous du réducteur de pression. En négligeant les ~rottements et les faibles gradients de pression nécessaires à l'ouverture des clapets d'aspiration de la production dans la pompe et d'évacuation des ~luides piégés dans l'espace vide du double vérin, la force F de rappel vers le haut du moyen de rappel doit satis~aire à la condition :
F > pMghsl-pasps2 où :
PM est la masse volumique du liquide moteur, g représente la constante de gravité locale (environ 9,8 m/s2), h est la pro~ondeur de la pompe, Pasp est la pression d'aspiration du ~1uide de gisement, S1 la section du petit piston du réducteur de pression, S2 la section du grand piston du réducteur de pression.
L'application de cette ~ormule montre que pour des rapports S2/S1 supérieurs à 2, avec un li~uide moteur constitué de gas-oil léger, le moyen de rappel est uniquement nécessaire lors~ue la pression d~aspiration du gisement devient ~aible, par exemple en ~in de vie du gisement. Dans une telle situation, l'application de la ~ormulation précédente montre ~ue la ~orce de rappel nécessaire est de l'ordre de quel~ues centaines de kilogrammes, et bien -CA 02239073 l998-06-08 inférieure à celle P nécessaire pour contrebalancer directement tout le poids de la colonne de liquide moteur.
De plus ces moyens auxiliaires de rappel, en réduisant la pression de la colonne de liquide hydraulique motrice, peuvent aussi contribuer à accélérer la cadence de pompage en réduisant la durée de remplissage de la chambre de pompage en phase d'aspiration.
Le principe de fonctionnement du système peut s'expliquer par exemple selon les étapes suivantes :
La partie I de l'enceinte est reliée à un tubing 24 permettant d'amener le fluide moteur dans le double vérin.
Ainsi, lorsque le fluide moteur est injecté dans l~enceinte 1 par le tubing 24, le double piston P1, P2 lS s'abaisse, le clapet d'aspiration 17 se ferme, le clapet de refoulement 18 s'ouvre et la production est expulsée vers la surface par l~espace annulaire 22. Lorsque le ~1uide moteur est décomprimé depuis la surface, le piston P2 du double vérin s'élève, le clapet d'aspiration de la production 17 s'ouvre tandis que le clapet de refoulement 19 se referme, et la production venant du gisement 21 est aspirée dans la chambre de pompage 5 au travers du système d'ancrage 20 du dispositif de pompage par le conduit d'aspiration de la pompe 16.
Par ailleurs, le tubing 24 de circulation du liquide moteur peut être éguipé d'une vanne de circulation latérale (non représentée sur la figure) de type classique en exploitation pétrolière, installée au fond juste au dessus du dispositif de pompage, pour permettre la mise en place du liquide moteur et le démarrage du système. Ce tubing peut également être équipé d'un système classique de coulisse pour éviter d'induire des contraintes mécani~ues sur le système de pompage de fond et ses moyens de maintien et de mise en place dans le casing 2, du fait des variations de longueur du tubing de circulation du liquide moteur sous l'action de la pression interne modulée.
CA 02239073 l998-06-08 La mise en oeuvre du système de pompage selon l'invention est décrite en relation avec les figures 2 et 3 gui montrent deux exemples de réalisation de circuit hydraulique permettant de générer un cycle de pression motrice à titre explicatif et nullement limitatif.
La figure 2 schématise un exemple de réalisation d'un circuit hydraulique permettant de générer les cycles précédemment décrits. Le circuit comporte par exemple un réservoir 30 de liquide moteur relié par un conduit 31 à une pompe 32 à débit réglable, munie par exemple d'un limiteur de pression 33 disposé en parallèle. Une conduite 34 se divise par exemple en une première branche 34a reliant la sortie de la pompe 32 au conduit d'introduction du liquide moteur du système de pompage hydraulique. Un manomètre 35 et un accumulateur 36 permettant de récupérer au moins une partie de l'énergie inutilisée dans les phases de décompression du liquide moteur, si la pompe est à débit constant, sont reliés à la première branche. Une seconde branche 34b munie d'une vanne V2, retourne vers le réservoir 30 du liquide moteur.
Les deux branches 34a et 34b, peuvent être reliées par une vanne de by-pass V3 pour faciliter les redémarrages ou les arrêts du système de pompage. Les vannes V1 et V2 asservies aux pressions, avec temporisation pour assurer les paliers de pression basse et haute des cycles, permettent alors de générer convenablement les différentes phases de mise en pression de la conduite.
Les cycles de pression générés en surface comportent schématiquement quatre phases représentées dans un diagramme temps, pression, à la figure 4 :
~ PH1, une phase de montée en pression du liquide moteur dont la durée dépend principalement de la puissance de la pompe de surface, ~ PH2, une phase d'expulsion rapide de la production entrée dans la pompe de fond, à pression sensiblement constante, ~ PH3, une phase de redescente de la pression motrice, ~ui peut être également rapide et ~ui dépend essentiellement des pertes de charge hydraulique, ~ PH4, une phase de maintien à la pression minim~le voisine S de la pression atmosphérique, destinée à permettre l~admission de la production dans la pompe de fond et dont la durée doit être choisie suffisante pour permette un remplissage correct de la pompe de fond (partie II du système de pompage).
L'opération de pompage s'opère en mode discontinu : le li~uide moteur est injecté et soutiré suivant des cycles de pression modulée, ~ui sont c~mm~n~és depuis la surface et peuvent être analysés et optimisés. La pression du li~uide moteur transférée à la pompe de fond est réduite au fond par le réducteur de pression. Lorsque la valeur de pression motrice réduite décroît et devient inférieure à la pression des fluides du gisement à l'aspiration de la pompe, le fluide à pomper est alors aspiré dans la pompe. Lors~ue la pression réduite augmente et dépasse la pression de refoulement, le fluide pompé et contenu dans la cham~re à volume variable en liaison avec le conduit d~aspiration est expulsé par l~intermédiaire du conduit de refoulement et remonte vers la surface par l'intermédiaire de l'espace annulaire entre le corps de la pompe et le casing ou le tubing de production.
La fré~uence des cycles et donc le débit de la pompe de fond peut être réglée en ajustant en surface le débit de la pompe d'alimentation en li~uide moteur. Le système peut être réglé en surface, par exemple au moyen de vannes asservies commandées par des capteurs de pression ou par une pompe hydraulique asservie Les cycles de pression motrice en surface peuvent être enregistrés en fonction du temps ou du débit du li~uide moteur et analysés de manière à en déduire les performances du pompage et intervenir si nécessaire.
L'analyse de la forme des cycles de pression peut permettre de détecter des problèmes dans le procédé, comme l'usure éventuelle d'un élément du système.
CA 02239073 l998-06-08 La cadence des cycles de pression et leurs extrêma est de préférence réglée de manière à assurer le remplissage de la pompe de fond et sa vidange sans dépression ni surpression exagérée au fond. Le ~ ncionnement du procédé, basé sur l'utilisation d'une pompe volumétrique hydrauligue de fond, peut être réalisé en tenant compte notamment des coefficients de frottement hydrauligues et/ou mécanigues et de l'efficacité du remplissage du corps de la pompe de fond.
Le même circuit de génération des cycles peut, sans sortir du cadre de l'invention, être relié à plusieurs puits et ainsi permettre l'activation simultanée de ces puits, de préférence en déphasant leurs cycles de pression.
Selon un autre exemple de réalisation, les cycles de pression modulée peuvent également être générés en surface par une pompe hydrauligue à débit variable double sens, comme il est représenté sur la figure 3. Dans ce cas, le réservoir de liguide moteur 30 est relié directement par le conduit 31 à une pompe de puissance 37 à débit asservi et pouvant fonctionner dans les deux sens. La sortie de la pompe est reliée au conduit d'introduction du liguide moteur du système de pompage par un conduit unigue 34. Un capteur de pression 38 disposé au niveau de la conduite de sortie de la pompe permet avantageusement de contrôler les opérations.
Dans les deux cas, la génération des cycles de pression peut être contrôlée à l'aide d'un micro-contrôleur 39 gui offre notamment comme avantage la possibilité d'analyser chague phase de compression et de décompression du cycle en se référant aux conditions antérieures, par exemple afin d'estimer la composition de la production (GOR à
l'aspiration) et d'optimiser son débit.
Dans le cas de fluide ou de bruts corrosifs, les joints d'étanchéité disposés au niveau du piston P2 pourraient être rapidement détériorés et ne plus remplir alors leur fonction.
~ CA 02239073 l998-06-08 .
De façon à éviter ce genre de problème, la figure 5 montre une variante de réalisation où le système comporte deux parties séparées par un fluide tampon, pour que les joints d'étanchéité du piston P2 soient en contact avec un fluide propre (fluide tampon) au lieu d'être en contact avec le fluide produit.
Les ~igures 5 à 13 décrivent differentes variantes du système de pompage hydrauligue décrit à la figure l, qui comportent tous cette disposition en deux parties et l'utilisation d'un fluide tampon. Dans les différentes variantes de réalisation, les parties motrice et pompe de fond sont découplées et le fluide tampon est utilisé comme fluide moteur. Il permet de transférer de manière souple et avec le m;n;mllm de frottements la puissance du fluide moteur à la pompe.
La figure 5 montre une variante de réalisation où
l'enceinte 1 comporte deux parties 40 et 41 en liaison par exemple par un conduit 42.
La partie 40 comporte le dispositif réducteur de pression 3, par exemple le double vérin représenté sur la figure 1. Les éléments communs entre cette figure et la figure 1 ne sont pas rappelés.
De manière à permettre l'introduction du fluide hydrauligue, le piston P1 est relié à un conduit 43 et à un clapet 44 gui laisse passer le fluide tampon hydrauligue à
l'intérieur de l'axe du creux du double vérin, dans le conduit 42 souple ou rigide et jusqu'à la face supérieure d'un piston libre 47 de la pompe de fond 41. Le clapet 44 est un clapet taré sous fort gradient de pression (de l'ordre de quelgues dizaines de bar), fixé au piston P1, à l'intérieur ou à l'extérieur de ce dernier.
A l'extrémité de la partie 40 voisine du piston P2, se trouve le conduit 42, par exemple un tube de liaison, gui permet le passage du fluide moteur vers la partie 41.
La partie 41 représente le corps de la pompe de fond.
Elle est séparée par le piston libre 47, en deux chambres 46, 48 de volume variable. Le piston peut être éguipé de joints CA 02239073 l998-06-08 d'étanchéité 49 permettant d~assurer l'étanchéité entre les deux chambres lors de son coulissement. Le piston libre peut aussi être pourvu d'un clapet 50 permettant de préserver le volume de fluide tampon introduit par le clapet de remplissage de fluide hydraulique et remplissant le creux de l'axe du double piston, une partie de la chambre de pompage du fluide tampon et la chambre de volume variable 46.
La chambre de pompage de la production 48 à volume variable, constituée par la partie inférieure du corps de pompe 41 sous le piston libre 47, a un volume gui varie en fonction de la position du piston P2 du réducteur de pression, auguel le piston libre 47 est asservi hydrauliguement par l'intermédiaire du liguide tampon. Le fonctionnement alternatif de la pompe, avec phases opposées d'ouverture et de fermeture des clapets d'aspiration de la production 17 et de re~oulement 19, est similaire à celui décrit pour l'option décrite précédemment figure 1 Lorsgue l'on introduit le fluide moteur ou li~uide moteur, le piston P2 du double vérin vient en butée sur le ~ond de la partie 40, et le piston llbre 47 de la partie 41, ou pompe, vient en butée avec le ~ond de 1a pompe.
La présence du clapet 50 taré sous une charge un peu plus faible gue celle du clapet g4 (~ixé sur le piston P1), permet l'entraînement éventuel d'impuretés ou d'inclusions de gaz dans le circuit moteur, et constitue une protection contre d'éventuelles surpressions lors de cette opération de remplissage. Une certaine ~uantité de ~1uide tampon est introduite par le clapet 44 de façon ~ue le clapet 50 s'ouvre et laisse passer le fluide pollué vers le conduit d'évacuation de la pompe de ~ond. Le fluide tampon pollué est évacué par l'espace annulaire 22. Ce clapet peut être disposé
à l'i~térieur du piston libre 47, ou éventuellement sur le haut du corps de pompe 41.
1a mise en circulation du liguide moteur avec contrôle du volume de li~uide tampon, doit s'effectuer à la mise en place de la pompe, puis en cas de dé~icit ou d'excès de ce fluide tampon détecté par l'analyse en surface des ~ CA 02239073 l998-06-08 .
performances des cycles de pompage, à effectuer de manière périodigue.
La pompe de ~ond, dans cet exemple de réalisation, est une pompe à simple effet, sous-jacente pour simplifier son installation et améliorer son efficacité. Elle est constituée de matériaux capables de résister à l'action de fluides tels que des bruts polyphasigues chauds, abrasifs et corrosifs.
la figure 6 représente une variante du dispositif de la figure 5 où les moyens d'aspiration et de refoulement, respectivement un conduit 60, 61 et des clapets 62, 63 sont disposés au niveau de la partie supérieure du corps de pompe.
Dans cette exemple de disposition, le conduit 64 mettant en commnn; cation la partie motrice et la partie pompe de fond et permettant le passage du fluide hydraulique moteur, est relié à la partie inférieure de la pompe de fond et le conduit d'aspiration 60 partant du gisement 21 remonte le long du corps de pompe. La présence de ces conduits nécessite un corps de pompe plus étroit gue celui du dispositif de la figure 1 du fait de l'encombrement de ces conduits qui doit être compensé par un allongement du corps de pompe de manière à obtenir la correspondance entre le volume de pompage et la capacité d'injection de fluide tampon par le double vérin.
Le clapet 65 de préservation du volume de fluide tampon est disposé au niveau du piston libre de manière opposée à
celui de la figure 5 du fait de la position des conduits d~aspiration et de refoulement.
La disposition en position haute des moyens de refoulement (61, 63) de la pompe de fond améliore l'efficacité du pompage en présence de gaz libre.
D'autres modes de réalisation du dispositif de pompage sont brièvement décrits aux figures 7 à 13. Ils di~férent de la figure 5 par la constitution de l'interface souple jouant le rôle de piston libre et servant à générer les chambres à
volume variable, ainsi que par le mode de mise en place de la CA 02239073 l998-06-08 pompe ou le sens de circulation des fluides dans la complétion.
Du fait des similitudes existant avec les figures précédentes, seules les parties des figures représentant la S pompe de fond ont été représentées, elles sont toutes reliées par un conduit de type 42 à une partie motrice.
Le piston libre 47 est remplacé par une membrane 70 étanche, souple et déformable sous l'action alternée de l'aspiration et du refoulement d'un li~uide hydraulique tampon, de manière à constituer une chambre d'aspiration et de refoulement à volume variable.
La membrane élastique 70 peut être réalisée en élastomère de synthèse résistant aux hydrocarbures.
Un caoutchouc nitrile pourrait être utilisé pour des 15 températures de froid atteignant 110~ à 130~C. Un nitrile hydrogéné permettrait de fonctionner jusqu'à 130 à 150~C.
Pour des températures supérieures, des polymères fluores, du type Viton, seraient à sélectionner. La membrane peut être normalement cylindri~ue, disposée selon l'axe longitudinal de la pompe et sertie à ses deux extrémités 71, 72 dans des pièces d'adaptation 73, 74 commllni~uant avec les deux clapets respectivement d'aspiration et de refoulement de la production. La membrane élastique 70 est disposée de manière à définir deux chambres de pompage à volume variable référencées respectivement 75, 76.
La chambre à volume variable 75 communique avec les conduits d~introduction de la production 72 et de refoulement 78 muni d'un clapet 79. Le conduit de refoulement 78 débouche dans l'espace annulaire 22.
La chambre à volume variable 76, est reliée au conduit permettant l'introduction du fluide tampon du réducteur de pression vers la pompe de fond.
Le conduit de refoulement 75 et le clapet de refoulement 76 sont par exemple disposés au niveau de la partie supérieure du corps de pompe, alors ~ue le conduit d'aspiration 77 et le clapet d'aspiration sont disposés à
~ CA 02239073 l998-06-08 r l'opposé dans la partie inférieure ainsi que le clapet de préservation du volume de liquide tampon.
Le corps de pompe peut être pourvu de moyens 73 tels ~ue des grilles - évitant à la membrane d'être endommagée S lorsqu'elle se gonfle ou se rétracte au cours des opérations de pompage. Les grilles peuvent également être mises en place au niveau du conduit de liaison 42 et sur les conduits d'aspiration et de refoulement.
La forme du corps de pompe peut aussi être choisie en conséquence afin de limiter la déformation de la membrane lors des phases de remplissage et de refoulement du fluide tampon.
Les figures 8 et 9 schématisent une vue en coupe et lS selon une section 9-9 d'un système de pompage équipé d'une membrane souple et déformable créant une chambre de pompage de volume varia~ie à l!in~érle-u~ d'un co ~s de po,..pe de or~.e adaptée, l'ensemble du dispositif de pompage étant mis en place en le suspendant à un coil tubing, la production remontant par l'espace annulaire tub1ng de production/tubing de circulation du fluide moteur, La membrane 80 peut être une toile plane caoutchoutée et étanche. Elle est fixée par exemple par un premier de ses côtés 81 et sur toute la longueur de ce premier côté à la paroi interne du corps de la pompe, et par un second côté 82 et sur toute la longueur de ce second côté à un endroit opposé de la paroi interne du corps de la pompe, de ~açon à
former une chambre de pompage à volume variable. La paroi du corps de pompe présente ici une forme plus complexe compte tenu des possibilités de déformation d'une stucture toilée.
Les clapets d'aspiration 83 et de refoulement 84 sont équipés de grilles 85, 86 disposées au niveau de la paroi interne du corps de la pompe, ayant not~mm~nt pour fonction de limiter la déformation de la membrane, par exemple en évitant qu'elle ne pénètre dans le conduit d'aspiration ou de refoulement où elle pourrait être détériorée. Une telle intrusion pourrait être due à une variation soudaine et/ou importante de la pression du fluide pompé ou du liquide tampon.
Les figures 10, 11 et 12 montrent une vue en coupe et S selon une section d'une autre variante de réalisation, où la membrane simple toilée utilisée précé~mm~nt (figure 8) est remplacée par une mem~rane double 90 de même matière. La membrane double est constituée de deux interfaces déformables 91, 92, distincts de façon à pouvoir créer une chambre ou IO espace 93 à volume variable. Ainsi, lors de la phase de refoulement du fluide pompé vers la surface, les parties 91 et 92 s'écartent, le volume de espace 93 augmente, les parties 91 et 92 peuvent venir se pla~uer sur la paroi interne du corps de la pompe (figure 12), alors ~u'au cours de la phase d'aspiration du fluide à pomper, les parties 91 et 92 ont tendance à se rapprocher, le volume de la chambre diminuant (figure 11).
Les parties 91 et 92 sont fixées respectivement dans les parties in~érieures et supérieures du corps de pompe par des moyens appropriés, connus de l'homme de métier ~ui ne seront pas détaillées à nouveau.
Le ou les clapets de refoulement 94, 95 sont par exemple disposés au niveau de la partie supérieure de la pompe. Les clapets d'aspiration 96 et/ou de refoulement sont de préférence associés à des grilles semblables aux grilles 85, 86 décrites à la figure 8. Le conduit 97 permettant d'introduire le fluide tampon et moteur, est en communication avec la chambre 93 et est disposé de préference au voisinage de l'axe central du système.
la figure 13 montre une vue en coupe d'une variante de réalisation comportant une membrane élasti~ue apte à
expansion ou rétraction sous l'action de la pression modulée du liquide moteur. Le corps de pompe est pourvu d'une membrane élasti~ue 100 extensible de type baudruche, par exemple constituée en élastomère de synthèse résistant aux hydrocarbures, qui est gonflée et dégonflée alternativement CA 02239073 l998-06-08 de manière à créer la variation de volume de la chambre dans le corps de la pompe nécessaire aux phases d'aspiration et de refoulement. La pompe est suspendue ici au tubing de transfert du fluide moteur et la production remonte par S l~espace annulaire.
Il est possible d'utiliser plusieurs vessies en matériaux non extensibles étanches, par exemple des tissus caoutchoutés, imbrigués de façon gue le volume mort dans la chambre de compression soit aussi réduit gue possible. Dans ce cas, les clapets d'aspiration et de refoulement sont éguipés de grilles telles gue décrites précé~mm~nt ayant notamment pour fonction d'éviter à la membrane de se détériorer, par exemple en limitant son parcours et en évitant gu'elle pénètre à l'intérieur du conduit de lS refoulement.
La figure 14 schématise une variante du système où la partie motrice est pourvue de moyens permettant d'installer l'ensemble du système de pompage au fond d'un puits par wireline.
Sur cette figure donnée à titre d'illustration, la remontée s'effectue par l'intérieur du tubing de production, le liguide moteur circulant dans l'espace annulaire casing/tubing de production.
25La partie motrice est éguipée au niveau de sa partie supérieure d'une partie 101 reliée à un tube 102, ce dernier étant maintenu à l'intérieur du casing par des packers 103.
La partie 101 comporte un passage 104 du fluide moteur vers la partie motrice et un passage 105 du ~1uide pompé par la pompe de fond vers l'intérieur du tubing de remontée de la production.
Les figures 15A à 15F représentent les principales séguences d'un cycle de pompage normal, montrant, suivant la position du double piston du réducteur de pression 3, la position du piston libre de la pompe 43 et l'état des clapets d~aspiration 17 et de refoulement 13 de la pompe.
CA 02239073 l998-06-08 Les figures 16A à 16F schématisent en~in les étapes de régénération du volume de liquide tampon lorsqu~il y a pollution de ce dernier par du ~luide pompé ou encore lorsgu'il y a eu des fuites :
~ lors de la procédure de régénération du volume de li~uide tampon commandée en surface en cas de perte ou de gain de ce volume provo~ués éventuellement par des fuites aux di~férents clapets et joints du dispositi~ de pompage : les clapets 23, 50 et 19 convenablement tarés permettent de mettre en place le li~uide tampon, de le renouveler s'il en man~ue ou d'évacuer un excès si nécessaire, ~ lors des étapes de régénération du volume vide situé entre les deux pistons du réducteur de pression, notamment en cas d~usure et de perte d'étanchéité des joints de ce double piston : les ~luides ayant envahi cet espace sont évacués au travers d'un clapet taré 13 de préférence relié par un tubing de petit diamètre 1~ avec le tubing de production au dessous du clapet d'aspiration de la production.
Le système réducteur de pression peut être choisi à
courses relativement longues, par exemple des courses supérieures à un mètre, de manière à réduire les pertes d~énergies par inertie et à limiter les fuites et l'usure au niveau des clapets. Un tel mode de réalisation améliore l'efficacité du pompage.
La vitesse de déplacement du piston réducteur de pression est choisie de préférence inférieure à 1 m/s afin de réduire les ris~ues d'usure des joints coulissants disposés au niveau du dispositif.
Le système selon l'invention trouve avantageusement son application pour la production de puits petits producteurs de bruts, par exemple en fin d~exploitation des puits.
Il s'adapte aisément pour différentes conditions, ~uelque soit la profondeur d'immersion de la pompe, la température et la pression de fond, la déviation du puits, la .
nature du gisement et son environnement, ou quelque soit les propriétés du brut et des phases associées, sous réserve qu'ils respectent des conditions m;niml~m de pompage, par exemple une teneur en sable ou sédiments non excessive et une viscosité du brut pas trop élevée.
Ainsi, il trouve son application optimale pour la production de puits petits producteurs à ~aibles pro~ondeurs et ~ortes déviations.
Claims (10)
1 - Système de pompage de fluides à basse pression comportant au moins une enceinte de pompage, ladite enceinte comportant au moins un conduit d'introduction du fluide à
pomper et au moins un conduit de refoulement du fluide pompé, caractérisé en ce que ladite enceinte est pourvue d'un conduit d'introduction d'un fluide auxiliaire tel qu'un fluide moteur et de moyens ou réducteur de pression permettant de réduire la pression dudit fluide moteur transmise au fluide à pomper, lesdits moyens formant avec la paroi interne de l'enceinte de pompage un espace dont le volume est porté à basse pression ou au vide.
pomper et au moins un conduit de refoulement du fluide pompé, caractérisé en ce que ladite enceinte est pourvue d'un conduit d'introduction d'un fluide auxiliaire tel qu'un fluide moteur et de moyens ou réducteur de pression permettant de réduire la pression dudit fluide moteur transmise au fluide à pomper, lesdits moyens formant avec la paroi interne de l'enceinte de pompage un espace dont le volume est porté à basse pression ou au vide.
2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de préserver le vide dans l'espace, lesdits moyens comportant un clapet de préservation du vide.
3 - Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de rappel reliés audit réducteur de pression.
4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée d'une première partie et d'une seconde partie, lesdites parties étant reliées par un conduit, et en ce que :
~ la première partie ou partie motrice comporte lesdits moyens réducteurs de pression et ladite première partie est pourvue de moyens d'introduction d'un fluide moteur, ~ la seconde partie comporte un moyen jouant le rôle de piston et générant deux chambres à volume variable, une des chambres étant en communication avec lesdits moyens d'introduction et de refoulement du fluide à pomper, et l'autre chambre étant reliée au conduit de passage du fluide moteur
~ la première partie ou partie motrice comporte lesdits moyens réducteurs de pression et ladite première partie est pourvue de moyens d'introduction d'un fluide moteur, ~ la seconde partie comporte un moyen jouant le rôle de piston et générant deux chambres à volume variable, une des chambres étant en communication avec lesdits moyens d'introduction et de refoulement du fluide à pomper, et l'autre chambre étant reliée au conduit de passage du fluide moteur
5 - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réducteur de pression comporte au moins un premier piston ayant une section S1 et un deuxième piston de section, ledit premier et ledit deuxième piston étant disposés sensiblement sur le même axe, le rapport des sections S2/S1 étant compris entre 1 et 10 et de préférence entre 2 et 3.
6 - Système selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une membrane souple déformable disposée sensiblement selon la longueur de la pompe.
7 - Système selon la revendications 4 ou 5, caractérisé
en ce que lesdits moyens sont formés par une membrane double.
en ce que lesdits moyens sont formés par une membrane double.
8 - Système selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une ou plusieurs membranes extensibles gonflée et pliée alternativement de manière à créer dans le corps de la pompe la variation de volume de la chambre nécessaire aux phases d'aspiration et de refoulement.
9 - Système de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande et de génération de cycle de pression modulée en surface.
10 - Application du système de pompage hydraulique selon l'une des revendications 1 à 10 en pompage de fond d'un effluent de type pétrolier ou d'eau de gisements aquifères.
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