EP0704599A1 - Installation pour puits pétrolier munie d'une électropompe en fond de puits - Google Patents

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EP0704599A1
EP0704599A1 EP95402176A EP95402176A EP0704599A1 EP 0704599 A1 EP0704599 A1 EP 0704599A1 EP 95402176 A EP95402176 A EP 95402176A EP 95402176 A EP95402176 A EP 95402176A EP 0704599 A1 EP0704599 A1 EP 0704599A1
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well
casing
installation
electric motor
pump
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Jean-Louis Beauquin
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Societe Nationale Elf Aquitaine Production SA
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Societe National Elf Aquitaine
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/12—Methods or apparatus for controlling the flow of the obtained fluid to or in wells
    • E21B43/121—Lifting well fluids
    • E21B43/128—Adaptation of pump systems with down-hole electric drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B47/00—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps
    • F04B47/06—Pumps or pumping installations specially adapted for raising fluids from great depths, e.g. well pumps having motor-pump units situated at great depth

Definitions

  • the present invention relates to an installation for an oil well equipped with an electric pump at the bottom of a well.
  • an assistance system or well activation system can be used.
  • a pump at the lower end of a production tube located in the well. This pump can be driven by an electric motor immersed in the bottom of the well which is supplied by a cable arranged in the annular space between the casing and the casing of the well.
  • the power range and installation depth require high voltages, up to 1000 to 3000 volts to minimize cable losses. But these high voltages make the installations vulnerable.
  • a rod pumping installation consists of a volumetric bottom pump installed in the casing, the piston of which is driven in translation from the surface by means of steel or glass fiber rods. On the surface, the movement is given to the rod train by a balance structure driven by a rotary electric motor or a hydraulic cylinder.
  • the dead weight, inertia, friction and mechanical fatigue of the rods limit the pumping capacity and performance of these systems. They are unsuitable for eruptive wells on which bottom safety devices are required, deep wells or high flows (greater than 200 m3 / d of liquid).
  • the monobloc concept of the current bottom electric pumps is interesting in the case of wells where the handling operation is easy and inexpensive, in the case of drinking water wells, non-eruptive wells on land or shallow. It is not suitable for current and future oil wells. These are increasingly deep, inaccessible, dangerous (because often eruptive), and equipped with complex and delicate equipment to set up. he it becomes desirable to concentrate the essential weaknesses such as mechanical wear and tear on an independent module which would be lighter and less costly to reassemble and replace, with a cable or a winch for example.
  • the present invention therefore relates to an installation for an oil well which makes it possible to separate the electrical part from the mechanical parts of an electric pump group immersed in the well, to place the electrical part in an enclosure sheltered from external aggressions originating in particular from effluent from the bottom of the well, and to group the mechanical parts in order to facilitate their removal.
  • the invention provides an installation for an oil well extending from the surface to a layer of petroleum rock comprising a casing arranged in the well and forming a flow path towards the surface for hydrocarbons coming from the layer of petroleum rock, a casing delimiting the wall of the well, and a joint disposed at the bottom of the well between the casing and the casing so as to form a chamber isolated from hydrocarbons, the installation further comprising, in the well, a pump and a electric motor intended to actuate the pump characterized in that the stator of the electric motor is arranged outside the casing, isolated by the latter flowing hydrocarbons inside the casing.
  • the electric motor can be a rotary or linear motor.
  • the pump is placed upstream of the electric motor.
  • the present invention has the advantage of creating an impermeable sealing barrier by the effluent between the central movable part and the stator windings.
  • this barrier is a simpler and more reliable technology because it is a static barrier of the wall type, which is no longer crossed by a mobile part (shaft or rod) transmitting the movement to the mobile part of the pump.
  • the movable part of the motor can be set up and removed independently of the fixed part, and in particular of the electrical equipment, and moreover thanks to a light intervention with the cable, which facilitates mechanical maintenance and reduces operating costs.
  • FIG. 1 is shown, generally at 10, an installation for an oil well in which a well 12 extends between the surface 14 and a layer of oil-bearing rock 16.
  • the well 12 has a casing 18 which makes the well tight in relation to to the rock layers crossed by the well.
  • a production casing 20 between a well head, shown diagrammatically at 22, and a seal 24, more commonly known as a "packer” which is arranged, for example, about 100 m above the level of the petroleum rock 16.
  • a sealed chamber 26 is defined between the outer wall of the casing 20 and the inner wall of the casing 18.
  • the casing 20 comprises, at its lower end, a pumping assembly, generally represented at 28 which comprises a reciprocating pump 30 intended to be actuated in the direction of the arrow 32 by a linear electric motor 34 by l by means of a piston rod 36.
  • the linear electric motor 34 is supplied from the surface 14 by an electric cable 38 placed in the chamber 26.
  • the linear motor 34 comprises a stator 40 and a movable part 42 displaceable according to the effect of the magnetic field generated by the stator.
  • the stator 40 is mounted outside the casing 20 inside the chamber 26.
  • the casing 20, at least in the region 43 adjoining the linear motor 34, is formed of non-magnetic material, which, in a preferred example, is ceramic.
  • the mobile part 42 is provided, at its upper end with a hooking head 44 which makes it possible to rise to the surface, for example by means of a cable, the mobile part 42 as well as the pump 30.
  • the cooling of the motor is ensured by the extracted effluent which passes through the mechanical part of the motor, either by passing through the air gap between the mobile part and the stationary stator, or at the center of the mobile part, then hollowed out.
  • the chamber 26 containing the electrical part can, in a preferred embodiment, receive a dielectric substance, a liquid or a gel, in order to further reinforce the durability of the installation.
  • a gel also has the advantage of thermally insulating the tubing, which then receives all the heat dissipated in the cable 38 which runs along it and of which it serves as a radiator. This warm-up will ensure a better overall energy efficiency of the installation thanks to the heating of the flows.
  • the pump 30 As shown in FIG. 1, it is preferable to place the pump 30 under the motor 34, which offers advantages for certain types of viscous or gaseous effluents in favor of the performance of the well. Indeed, the fact of placing the pump under the motor significantly reduces the pressure losses before the effluent enters the pump.
  • the lubrication between the moving and fixed parts is done either dry with suitable materials (ceramic, zirconium, teflon, carbides or bronze), or by an effluent film put in place by hydrodynamic effect.
  • suitable materials ceramic, zirconium, teflon, carbides or bronze
  • a parallel lubrication system could also be implemented.
  • the installation according to the invention avoids the electrical crossing of the seal or "packer" which was hitherto inevitable and constituted a source of the main electrical failures of the systems used until then.
  • a second embodiment is shown in Figure 2 in which the elements common to the installation of Figure 1 bear the same reference numbers.
  • a rotary motor generally represented at 46, is connected to a rotary pump of conventional construction, shown diagrammatically at 48, by a rod 50.
  • the fixed part of the rotary motor 46, in particular the stator 52 is arranged outside the casing 20, only the movable part is located inside the casing in the corrosive and aggressive medium constituted by the hydrocarbons and effluents from the well.
  • the movable part of the rotary motor comprises a rotor 54 disposed around a shaft 56 provided with a longitudinal passage 58.
  • the section 60 of the casing 20 located between the coils 62 of the stator 52 and the rotor 54, is formed of a non-magnetic material so as not to disturb the magnetic field passing through it.
  • the shaft 56 is mounted to rotate freely in the casing 20 by means of upper 64, central 66 and lower 68 bearings with an axial stop.
  • the bearings 64, 66, 68 are each provided with a radial passage which communicates with the longitudinal passage 58 and which provides the lubrication of the bearings.
  • the mobile part of the motor comprises, at its upper end, a hooking head 44 making it possible to raise the mobile part of the motor as well as the pump 48 to the surface. This operation is conventionally performed by cable from the surface.
  • the installation according to the invention makes it possible to isolate the electrical part of the engines from the hydrocarbons or effluents passing inside the casing 20, hydrocarbons which constitute a corrosive medium.
  • This type of installation considerably reduces the number of electrical failures while allowing easy replacement of the moving parts of the installation.

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Abstract

Installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface (14) vers une couche de roche pétrolifère (16) comprenant un tubage (20) disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de roche pétrolifère, un cuvelage (18) délimitant la paroi du puits, et un joint (24) disposé en fond de puits entre le tubage (20) et le cuvelage (18) de manière à former une chambre (26) isolée des hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le puits, une pompe (30, 48) et un moteur électrique (34, 46) destiné à actionner la pompe. Selon l'invention, le stator (40, 52) du moteur électrique (34, 46) est disposé à l'extérieur du tubage (20), isolé par celui-ci des hydrocarbures s'écoulant à l'intérieur du tubage. <IMAGE>

Description

  • La présente invention se rapporte à une installation pour puits pétrolier munie d'une électropompe en fond de puits.
  • Dans certains puits pétroliers, l'écoulement naturel des hydrocarbures du fond à la surface s'avère insuffisant pour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceci est dû soit à la viscosité importante des hydrocarbures, soit à une trop faible pression naturelle au fond du puits ou encore à une combinaison des deux. Afin de permettre la mise en production du puits à une échelle commerciale, on peut utiliser un système d'assistance ou système d'activation du puits. Par exemple, on peut disposer une pompe, à l'extrémité inférieure d'un tube de production situé dans le puits. Cette pompe peut être mue par un moteur électrique immergé au fond du puits qui est alimenté par un câble disposé dans l'espace annulaire entre le tubage et le cuvelage du puits.
  • Quand on fait un bilan des sources de pannes sur les pompes électriques, ou électropompes, immergées de fond de puits qui nécessitent le retrait d'un tubage, on trouve dans l'ordre :
    • les courts-circuits électriques (environ 80%),
    • l'usure mécanique,
    • la rupture mécanique.
  • Certes, certains courts-circuits surviennent dès le premier démarrage et résultent d'une faute lors de l'installation qui demande beaucoup de soin et de savoir-faire.
  • Mais la plupart des courts-circuits ont lieu en cours d'utilisation et résultent d'une dégradation progressive normale des barrières d'isolation électrique, puisque les pompes sont immergées dans l'effluent extrait de la roche pétrolifère.
  • La gamme de puissance et la profondeur d'installation requièrent des voltages élevés, pouvant atteindre 1000 à 3000 volts pour minimiser les pertes dans les câbles. Mais ces tensions élevées rendent les installations vulnérables.
  • L'altération des isolants solides résulte de phénomènes facilement compréhensibles :
    • L'exploitation du puits engendre nécessairement des variations de pression et de température, dus aux arrêts et aux changements de régimes, dans les zones où se trouvent les équipements de pompage, créant des cycles de sollicitations mécaniques dans les matériaux constitutifs.
    • Les variations de pression provoquent aussi des migrations répétées de gaz au sein des isolants, qui tendent à dégrader leur structure et leur performance.
    • La présence d'hydrocarbures, d'aromatiques, de gaz acides et autres provoque des attaques chimiques diverses sur les différentes barrières d'isolation mécanique ou électrique, contribuant à leur dégradation dans le temps.
    • Les variations de courant électrique (notamment les arrêts et démarrages du moteur) traversant les conducteurs électriques engendrent par effet Joule des variations de température importantes qui accélèrent le vieillissement des isolants électriques.
    • Les voltages élevés évoqués ci-dessus génèrent des champs de sollicitations importants sur tous les isolants.
  • Le deuxième facteur de coût d'utilisation des électropompes immergées de fond de puits est que pour réparer une panne, il faut remonter tout le câble électrique et le tubage auquel l'unité de fond est accrochée. En effet, les électropompes de fond de puits actuelles constituent des blocs tubulaires compacts assemblés en surface avant leur descente dans le puits. Ces sytèmes doivent, par conséquent, être remontés en totalité avec le tubage en cas de maintenance. Cette intervention nécessite un appareil de service onéreux à mobiliser, notamment sur des sites difficiles d'accès (isolé, en mer, sous-marin, urbain). Le délai d'attente et la durée d'intervention génèrent aussi des manques à produire importants. A tel point que ces systèmes ne peuvent s'envisager dans les cas les plus difficiles.
  • L'ensemble de ces facteurs affecte dramatiquement le coût de ce mode de pompage et interdisent même économiquement le développement de certains champs pétroliers marginaux.
  • Une installation de pompage aux tiges consiste en une pompe de fond volumétrique installée dans le tubage dont le piston est animé en translation depuis la surface par l'intermédiaire de tiges en acier ou en fibres de verre. En surface, le mouvement est donné au train de tige par une structure à balancier animé par un moteur électrique rotatif ou bien un vérin hydraulique.
  • Le poids propre, l'inertie, le frottement et la fatigue mécanique des tiges limitent la capacité et la performance de pompage de ces systèmes. Ils sont peu adaptés aux puits éruptifs sur lesquels des organes de sécurité de fond sont requis, aux puits profonds ou aux débits élevés (supérieures à 200 m³/j de liquide).
  • Le concept monobloc des électropompes de fond actuelles est intéressant dans le cas de puits où la manoeuvre de manutention est facile et peu onéreuse, cas des puits d'eau potable, des puits non éruptifs à terre ou peu profonds. Il n'est pas adapté aux puits pétroliers actuels et à venir. Ceux-ci sont de plus en plus profonds, inaccessibles, dangereux (car souvent éruptifs), et dotés d'équipements complexes et délicats à mettre en place. Il devient souhaitable de concentrer les faiblesses incontournables comme l'usure mécanique sur un module indépendant qui serait plus léger et moins coûteux à remonter et remplacer, avec un câble ou un treuil par exemple.
  • Etant donné que la majorité des causes de panne provient du fait que la partie électrique est immergée dans un milieu hostile, il serait souhaitable de regrouper l'ensemble de la partie électrique dans une enceinte à l'abri de toute agression susceptible d'entraîner des pannes électriques. Ne resteraient en contact avec les effluents que les organes "mécaniques" ne pouvant être la cause ou la proie de courts-circuits électriques, et pouvant être indépendamment remontés et remplacés dans un but de maintenance, suite à une usure mécanique, ou de flexibilité, pour s'adapter par exemple à une évolution des effluents du puits ou des conditions d'exploitation.
  • La présente invention a donc pour objet une installation pour puits pétrolier qui permet de séparer la partie électrique des parties mécaniques d'un groupe électropompe immergé dans le puits, de placer la partie électrique dans une enceinte à l'abri des agressions extérieures provenant notamment des effluents du fond de puits, et de regrouper les parties mécaniques afin de faciliter leur retrait.
  • Pour ce faire, l'invention propose une installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface vers une couche de roche pétrolifère comprenant un tubage disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de roche pétrolifère, un cuvelage délimitant la paroi du puits, et un joint disposé en fond de puits entre le tubage et le cuvelage de manière à former une chambre isolée des hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le puits, une pompe et un moteur électrique destiné à actionner la pompe caractérisé en ce que le stator du moteur électrique est disposé à l'extérieur du tubage, isolé par celui-ci des hydrocarbures s'écoulant à l'intérieur du tubage.
  • Le moteur électrique peut être un moteur rotatif ou linéaire.
  • Selon un mode de réalisation préférée, la pompe est placée en amont du moteur électrique.
  • La présente invention présente l'avantage de créer une barrière d'étanchéité infranchissable par l'effluent entre la partie mobile centrale et les bobinages du stator. Actuellement dynamique, cette barrière est une technologie plus simple et plus fiable car il s'agit d'une barrière statique de type paroi, qui n'est plus traversée par une partie mobile (arbre ou tige) transmettant le mouvement à la partie mobile de la pompe.
  • La partie mobile du moteur peut être mise en place et retirée indépendamment de la partie fixe, et en particulier des équipements électriques, et de plus grâce à une intervention légère au câble, ce qui facilite la maintenance mécanique et réduit les coûts d'exploitation.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante, donnée à titre explicatif mais non limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe d'une installation pour puits pétrolier selon un premier aspect de l'invention ;
    • la figure 2 est une vue en coupe d'une installation pour puits pétrolier selon un deuxième aspect de l'invention ; et
    • la figure 2A est une vue en coupe, prise selon la ligne A-A de la figure 2.
  • Sur la figure 1 est représentée, généralement en 10, une installation pour puits pétrolier dans laquelle un puits 12 s'étend entre la surface 14 et une couche de roche pétrolifère 16. Le puits 12 comporte un cuvelage 18 qui rend le puits étanche par rapport aux couches de roches traversées par le puits. A l'intérieur du puits s'étend un tubage de production 20, entre une tête de puits, représentée schématiquement en 22, et un joint 24, plus communément appelé "packer" qui est disposé, par exemple, à environ 100 m au-dessus du niveau de la roche pétrolifère 16. Une chambre 26 étanche est définie entre la paroi extérieure du tubage 20 et la paroi intérieure du cuvelage 18.
  • Dans l'exemple illustré, le tubage 20 comporte, à son extrémité inférieure, un ensemble de pompage, représenté généralement en 28 qui comprend une pompe alternative 30 destinée à être actionnée dans le sens de la flèche 32 par un moteur électrique linéaire 34 par l'intermédiaire d'une tige de piston 36. Le moteur électrique linéaire 34 est alimenté à partir de la surface 14 par un câble électrique 38 disposé dans la chambre 26.
  • Le moteur linéaire 34 comprend un stator 40 et une partie mobile 42 déplaçable selon l'effet du champ magnétique généré par le stator. Selon l'invention, le stator 40 est monté à l'extérieur du tubage 20 à l'intérieur de la chambre 26. Le tubage 20, au moins dans la région 43 avoisinant le moteur linéaire 34, est formé de matériau amagnétique, qui, dans un exemple préféré, est de la céramique. La partie mobile 42 est munie, à son extrémité supérieure d'une tête d'accrochage 44 qui permet de remonter à la surface, par exemple au moyen d'un câble, la partie mobile 42 ainsi que la pompe 30.
  • Le refroidissement du moteur est assuré par l'effluent extrait qui traverse la partie mécanique du moteur, soit en passant dans l'entrefer entre la partie mobile et le stator immobile, soit au centre de la partie mobile, alors évidée.
  • La chambre 26 contenant la partie électrique peut, dans un mode de réalisation préférée, recevoir une substance diélectrique, un liquide ou un gel, afin de renforcer encore la pérennité de l'installation. L'utilisation d'un gel présente aussi l'avantage d'isoler thermiquement le tubing, qui reçoit alors toute la chaleur dissipée dans le câble 38 qui le longe et dont il sert de radiateur. Cet échauffement assurera un meilleur rendement énergétique global de l'installation grâce à l'échauffement des écoulements.
  • Comme représenté sur la figure 1, il est préférable de placer la pompe 30 sous le moteur 34, ce qui offre des avantages pour certains types d'effluents visqueux ou gazés au profit des performances du puits. En effet, le fait de placer la pompe sous le moteur réduit nettement les pertes de charge avant l'entrée de l'effluent dans la pompe.
  • La lubrification entre les parties mobiles et fixes se fait soit à sec avec des matériaux appropriés (céramique, zirconium, téflon, carbures ou bronze), soit par un film d'effluent mis en place par effet hydrodynamique. Un système parallèle de lubrification pourrait aussi être mis en place.
  • L'installation selon l'invention évite la traversée électrique du joint ou "packer" qui était jusqu'à présent inévitable et constituait une source des principales pannes électriques des systèmes utilisés jusqu'alors.
  • Un deuxième mode de réalisation est représenté sur la figure 2 dans laquelle les éléments communs à l'installation de la figure 1 portent les mêmes chiffres de référence. Un moteur rotatif, représenté généralement en 46, est relié à une pompe rotative de construction classique, représentée schématiquement en 48, par une tige 50. De manière analogue à l'installation de la figure 1, la partie fixe du moteur rotatif 46, notamment le stator 52, est disposée à l'extérieur du tubage 20, seule la partie mobile se trouve à l'intérieur du tubage dans le milieu corrosif et agressif que constituent les hydrocarbures et les effluents du puits. La partie mobile du moteur rotatif comprend un rotor 54 disposé autour d'un arbre 56 muni d'un passage longitudinal 58. La section 60 du tubage 20 se trouvant entre les bobinages 62 du stator 52 et le rotor 54, est formée d'un matériau amagnétique de sorte à ne pas perturber le champ magnétique qui la traverse.
  • L'arbre 56 est monté libre en rotation dans le tubage 20 par l'intermédiaire de paliers supérieur 64, central 66 et inférieur 68 à butée axiale. Les paliers 64, 66, 68 sont munis chacun d'un passage radial qui communique avec le passage longitudinal 58 et qui assure la lubrification des paliers. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1, la partie mobile du moteur comporte, à son extrémité supérieure, une tête d'accrochage 44 permettant de remonter à la surface la partie mobile du moteur ainsi que la pompe 48. Cette opération s'effectue de manière classique par câble depuis la surface.
  • Ainsi l'installation selon l'invention permet d'isoler la partie électrique des moteurs des hydrocarbures ou des effluents passant à l'intérieur du tubage 20, hydrocarbures qui constituent un milieu corrosif. Ce type d'installation permet de réduire considérablement le nombre de pannes électriques tout en permettant un remplacement facile des parties mobiles de l'installation.

Claims (6)

  1. Installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface (14) vers une couche de roche pétrolifère (16) comprenant un tubage (20) disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de roche pétrolifère, un cuvelage (18) délimitant la paroi du puits, et un joint (24) disposé en fond de puits entre le tubage (20) et le cuvelage (18) de manière à former une chambre (26) isolée des hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le puits, une pompe (30, 48) et un moteur électrique (34, 46) destiné à actionner la pompe, caractérisé en ce que le stator (40, 52) et le câble du moteur électrique (38) sont disposés dans la chambre (26).
  2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le tubage (20) est formé de matériau amagnétique sur au moins la longueur où le tubage traverse le moteur électrique (34, 46).
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le moteur électrique est du type linéaire (34).
  4. Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le moteur électrique est du type rotatif (46).
  5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la pompe (30, 48) est disposée en amont du moteur électrique (34, 46).
  6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la partie mobile du moteur électrique (34, 46) comporte une tête d'accrochage (44) destinée à permettre de remonter à la surface ladite partie mobile et la pompe (30, 48).
EP95402176A 1994-09-30 1995-09-28 Installation pour puits pétrolier munie d'une électropompe en fond de puits Expired - Lifetime EP0704599B1 (fr)

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