FR2741664A1 - Nouvelle configuration de fond de puits petrolier, notamment pour echantillonnage de fond - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une configuration de fond de puits pétrolier ou analogue selon laquelle on prolonge le chemin (3) parcouru par le fluide vers le fond du puits au dessous de la couche productrice (6); on crée ainsi une circulation forcée pour bénéficier de l'effet de gravité sur la pression du fluide, et ainsi réduire ou éliminer des problèmes de ségrégation de phases. Il en résulte une bien meilleure qualité de l'échantillonnage de fond effectué, et l'invention constitue une approche compatible avec tout type de fluide de gisement, notamment avec les gaz à condensat saturés.

Description

NOUVELLE CONFIGURATION DE FOND DE PUITS
PETROLIER, NOTAMMENT POUR ECHANTILLONNAGE.

L'invention concerne le secteur technique de l'industrie pétrolière et parapétrolière, et notamment la prise d'échantillons en fond de puits.

La prise d'échantillons de fond de puits est une opération bien connue de l'homme de métier. Son but est de prélever une quantité du fluide de gisement appropriée à des mesures dites " PVT " ( pour Pression, Volume, Température ). II est donc nécessaire que la pression reste au moins égale à la pression de saturation du fluide pendant cette opération, car autrement la condition biphasique du fluide peut mener à un échantillon non représentatif. Cet échantillon doit ensuite être isolé puis ramené à la surface où il sera transporté vers un laboratoire spécialisé et analysé.

Ces mesures sont essentielles pour une bonne connaissance de l'état du fluide dans le gisement et de son évolution pendant la phase de production. Ces données sont surtout importantes pour l'estimation des réserves, la définition du programme d'exploitation et l'optimisation des installations de traitement. On citera dans ce domaine "Volume and Phase Behavior of Oil Hydrocarbon Systems", M.B. Standing,
SPE (1981).

L'un des problèmes majeurs de cette opération réside dans le fait que, lors de l'isolement de l'échantillon et lors de transferts à la surface, ou en Laboratoire PVT les conditions sont naturellement réunies pour que l'intégrité de l'échantillon soit perdue. Notamment, il est fréquent qu'une partie de l'échantillon se vaporise ou se condense, suite aux changements de pression et/ou de température, ce qui évidemment nuit fortement à la fiabilité du processus.

Ceci est bien connu de l'homme de métier et il ne sera pas nécessaire de décrire ici ces techniques et phénomènes trop en détail.

En particulier, on connaît de nombreux dispositifs de prélèvement d'échantillons de fluides de gisement dans lesquels on prélève, par exemple à l'aide d'une sonde, ledit échantillon dans un échantillonneur de fond, on scelle l'échantillonneur d'une façon étanche par un moyen mécanique connu, et on le remonte vers la surface. En surface,
I'échantillon est fréquemment transféré dans une "bombe" (bouteille pressurisée) qui servira à le transporter vers le
Laboratoire d'analyse . Naturellement, à toutes les étapes, des moyens sont prévus pour assurer la qualité du fluide de gisement. Cependant, même des moyens très perfectionnés ne peuvent corriger des modifications éventuellement subies lors de ces opérations.

De plus, le fluide échantillonné lui-même peut ne pas être très représentatif du fluide présent dans le gisement.

Ceci est particulièrement le cas lorsque le fluide de gisement se trouve dans des conditions de saturation (une huile qui ne peut pas "absorber" plus de gaz, ou un gaz qui ne peut pas "absorber" plus de condensat).

Les gisements saturés ou proches de la saturation posent en effet d'énormes problèmes. II s'agit dans ces cas de fluides du type huile ou gaz à condensat pour lesquels une légère réduction de pression crée une deuxième phase; avec les moyens actuels, une prise d'échantillon de fond représentatif est extrèmement difficile voire impossible.

On conçoit en effet que la production va faire varier les conditions règnant dans le réservoir lui-même aux abords du puits, notamment car dès que deux phases sont présentes, on risque une production non représentative de phase gazeuse par rapport à une production trop faible d' " huile n ou de condensat.

Dans le cas d'un réservoir de gaz, il peut y avoir une seconde phase liquide existante dans le réservoir, qui consiste en un "condensat " du gaz, même avant production.

Dans une telle situation, le mieux que l'on puisse espérer de l'échantillonnage est de récupérer un échantillon représentatif de la phase dite n majeure ".

Pour ces types de fluides, un échantillonnage en surface au séparateur peut, dans certains cas, être valable, mais avec d'une part des erreurs ou imprécisions dans la comptabilisation des deux phases, qui peuvent être importantes notamment en cas d'entraînement de liquide, tandis que d'autre part les débits nécéssaires peuvent créer une zone biphasique très importante dans le gisement et modifier le fluide sortant du gisement ou réservoir pour entrer dans le puits.

Dans ce domaine, on connaît des sondes modernes qui sont conçues pour échantillonner un écoulement de fluide biphasique, cf. brevet norvégien NO 92 5021 ou l'utilisation d'un tube d'intervention enroulé ou bobiné, connu généralement sous le vocable de " coiled tubing ", cf. brevet FR 2 648 863.

On a également réalisé des améliorations dans les techniques d'échantillonnage en fond de puits, par exemple en maintenant l'échantillon contenu dans l'échantillonneur sous une certaine pression, après la prise de l'échantillon, cf.

Derwent AN 91 267 201 (36) pour un Well Sampling Tool ou outil d'échantillonnage pour puits, ou des améliorations en matière de " testeurs de formation " visant à réduire la contamination des échantillons, cf. Derwent AN 86 253 933 ( 89 ) ou encore en matière d'échantillonneurs de fond de puits sous câble ("wireline"), installés dans les outils d'essai de puits fixés au train de tiges de forage, USP 4,856,585, mais dans tous ces cas le problème fondamental de fluide biphasique au fond du puits n'a été ni résolu ni approché.

Un problème est, alors, qu'un phénomène dit de
ségrégation n des phases va se produire dès la sortie du fluide produit par les perforations, du fait de la chute de la pression par rapport à la pression de pore régnant dans le réservoir.

Un deuxième problème est alors, qu'un effet de dépletion peut être causé par la production du fluide et que les phases produites ne représentent pas les phases présentes dans le réservoir. Un troisième problème dans le cas de gaz à condensat est que pendant la production de fluide de gisement à faible débit, la vitesse du gaz dans le "tubing" (vocable universellement utilisé pour désigner le "cuvelage" ou "tubage" métallique du puits) n'est souvent pas suffisante pour empêcher tout condensat causé par la chute de pression (même bien au-dessus de l'installation d'échantillonnage) de tomber vers le fond du puits. Le retombé de condensat peut ainsi contaminer des échantillons prélevés dans le bas du tubing.

II y a notamment une très importante réduction en pression au fond du puits, et dans les abords du puits, lors du dégorgement du puits, phase précédant toute tentative d'échantillonnage dans un nouveau puits ; il faut donc remplacer tout fluide non représentatif avant un échantillonnage de fond, mais une production conventionnelle cause encore une chute de pression.

On conçoit que ce qui précède fausse à la fois l'échantillonnage et les mesures en laboratoire gravement au point que l'industrie s'interroge en beaucoup de cas sur l'utilité de tels échantillonnages, qui sont pourtant essentiels pour la conduite et la prévision de la production.

Ce sont ces problèmes particuliers que l'invention s'attache à résoudre.

Ces problèmes prennent un relief particulier si l'on considère l'importance croissante des gisements de gaz dits "à condensat".

Le demandeur a en fait posé le problème tout à fait différemment. Au lieu de chercher à encore améliorer l'outil d'échantillonnage, I'invention modifie la configuration du fond de puits et ainsi le chemin parcouru par le fluide pour obtenir un échantillon représentatif du fluide produit.

Ceci était considéré comme impossible, puisque la production s'accompagne obligatoirement d'une perte de pression. De ce fait, I'industrie n'a jamais préconisé des échantillonnages de fond dans des gisements de gaz à condensat saturés cf. Recommended Practice for Sampling
Petroleum Reservoir Fluids, API RP 44, API janvier 1966, et recommendation comparable de la revue de I' IFP, mai juin 1975, vol XXX, n" 3 pp 445-471.

Quant aux échantillonnages des fluides "huiles saturées", ils sont souvent considérés comme douteux par les ingénieurs de terrain, et ils peuvent être ainsi non justifiés par rapport au coût supplémentaire.

Par "configuration de fond de puits " on désigne ici l'ensemble des moyens mécaniques, tubages, y compris comportant des éléments du tubage bobiné ou "coiled tubing", éléments d'isolement de zones connus sous le vocable de packers ", outils de "test" du genre "essais aux tiges" etc... qui sont couramment présents et utilisés dans un puits pétrolier à divers stades, et également d'éventuelles configurations nouvelles d'échantillonneurs, qui incorporent des modifications pour réaliser le même acheminement du fluide.

L'invention vise donc à modifier les moyens de ce type et / ou leur agencement, pour obtenir l'effet désiré, qui est donc de permettre la caractérisation du véritable fluide du gisement. Ce caractère peut être totalement inconnu au moment de la prise d'échantillon, surtout dans les puits d'exploration, et donc cette invention, qui constitue une approche d'échantillonnage "universelle ", où la technique n'est pas fonction du fluide à échantillonner, peut faciliter énormément les décisions prises sur chantier.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessin annexé, sur lequel
- la Figure 1 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation préféré de la configuration générale selon l'invention,
- la Figure 2 représente la même configuration mais comportant de manière très préférée un piège à condensat ( 9 ).

- la Figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention.

- la Figure 4 représente encore un autre mode de réalisation de l'invention.

Sur les Figures, les mêmes références ont les mêmes significations.

L'invention réside de manière générale dans le concept consistant à compenser au moins partiellement, mais de préférence totalement, la perte de pression subie par le fluide produit lorsqu'il sort du réservoir ou gisement.

On sait que cette perte de pression est fonction de nombreux paramètres qu'on ne rappellera pas ici, comme la pression du réservoir, celle de l'annulaire, la densité du fluide, sa viscosité, le débit, la géométrie de l'annulaire etc...

Selon un mode de réalisation particulièrement préféré,
I'invention vise tout moyen permettant de forcer le fluide à suivre un écoulement dirigé au moins partiellement vers le bas, c'est à dire vers le fond du puits, au sortir de tout ou partie des perforations.

On fait ainsi supporter au fluide produit un supplément de pression hydrostatique qui s'oppose à la création de deux phases. Si le supplément de pression compense au moins la perte de pression, alors aucun changement de phase ni ségrégation ne se produisent. On notera que tout gain de pression, même ne compensant que partiellement la perte de pression, sera appréciable et améliorera la qualité de l'échantillon.

Un moyen préféré selon l'invention, pour forcer le fluide vers le bas, consiste à prolonger le "tubing" (tube de production ou tubage ou cuvelage selon les appellations).

La Figure 1 décrit une configuration selon l'invention, qui comporte de manière classique un tubing métallique 3 de production et un " packer " 4 ; le fluide de réservoir 6 est produit par les perforations 2 La configuration selon l'invention est caractérisée par un allongement significatif vers le bas du tubage 3 . Par " significatif " on désigne ici un allongement tel qu'il est suffisant pour compenser dans une mesure notable à importante ou totale la perte de pression subie par le fluide au sortir des perforations 2 et lors de l'écoulement dans l'annulaire et dans le tubing jusqu'au niveau de l'échantillonneur. Sur la Fig. 1 on indique où le tubing s'arrête classiquement, selon l'art antérieur, juste au dessous du packer , c.a.d. dans la zone identifiée par le marquage latéral 5.

Au contraire, le tubing, selon la nouvelle configuration, descend le plus bas possible, c'est à dire plus bas que au moins le niveau de la première perforation (perforation supérieure), et de manière tout à fait préférée plus bas que au moins les perforations intermédiaires et, de manière tout à fait préférée, plus bas que la dernière perforation (cf. référence 7).

L'échantillonneur 8 est également placé le plus bas possible.

Ainsi, en forçant le fluide produit vers le bas, on compense la perte de pression et des fluides de réservoir en état de saturation ou proches de l'état de saturation, qui est le problème spécifique résolu par l'invention, et justement redouté dans l'industrie, vont rester à l'état monophasique jusqu'à l'échantillonneur 8 suspendu par le cable ou "wireline " 10
Naturellement, tout allongement du tubing vers le bas au delà au moins du niveau de la perforation supérieure sera profitable; on cherchera à descendre l'extrémité le plus bas possible, de manière à au moins compenser la perte de pression mais, si des outils préexistants en fond de puits interdisent certains niveaux, on descendra l'extrémité aussi bas que possible compte tenu de ces outils.

Bien entendu, il serait nécessaire de se servir de moyens connus pour effectuer une telle installation dans les conditions optimales, par exemple l'utilisation d'un centreur au bas du tubing pour éviter des problèmes de vibration, notamment pour les fluides du type gaz.

Si le débit de fluide produit est faible, une faible hauteur supplémentaire de tubage sera suffisante; au contraire, si le débit est important, une hauteur plus grande sera nécéssaire.

La hauteur théorique nécessaire dépendra également de la densité du fluide, par exemple même quelques mètres pour une huile dense (d'environ 1 g/cm3) donneraient une pression supplémentaire de plusieurs dizaines de kilopascals , mais une hauteur d'au moins une dizaine de mètres serait souhaitable surtout pour une huile légère (par exemple à 0,5 g/m3) et tout gisement à gaz.

Même dans la plupart des puits dit "horizontaux", il y a suffisamment d'inclinaison pour permettre à l'invention d'améliorer la qualité des échantillons, mais il faut évidemment prévoir un prolongement beaucoup plus important.

L'échantillonneur 8 peut être d'un type quelconque courant dans I' industrie. C'est un autre avantage de l'invention.

Un autre moyen préféré selon l'invention, pour forcer le fluide vers le bas, consiste à modifier le "chemin d'écoulement" dans l'annulaire d'un outil d'essais aux tiges "Drill Stem Test tool" descendu dans le puits sur les tiges de forage.

Dans le cas de réservoirs de gaz, en état de saturation, il peut être nécéssaire de recourir à des moyens additionnels de contrôle de tout condensat qui, malgré l'invention, pourrait se former dans le tubing au dessus de l'échantillonneur et venir se mélanger à l'échantillon.

La Fig. 2 montre un exemple non limitatif d'un piège 9 qui permet d'écarter de l'échantillonneur toute trace de condensat ou autre liquide qui pourrait apparaître. On notera que l'orifice de passage e est délibérément très petit, pour assurer un fort débit même en cas de faible débit de production; ainsi, le fort débit empêche les traces de condensat ou autre liquide de retomber par gravité vers l'échantilonneur par l'orifice e . Ce système doit tout de même permettre une grande ouverture de orifice e, pendant des périodes de débit plus importantes.

En fait, de préférence, on ménage au dessus de l'échantillonneur un moyen pour diriger toute retombée de liquide loin de l'ouverture de prise d'échantillon dans l'échantillonneur.

Un moyen consiste en un passage conçu pour conduire toute retombée de condensat ou autre liquide vers un niveau plus bas que l'échantillonneur.

La fig. 3 représente un mode de réalisation différent où l'échantillonneur est installé dans le tubing dans une configuration spéciale où l'échantillon passe par un orifice ou passage h dans le tubing pour effectuer la prise d'échantillon directement dans l'annulaire. Cette installation est, bien sûr, plus compliquée mais évite totalement tout "retour" de condensat créé dans le tubing. Les mêmes types d'installation sont également prévus dans le cas des trains de test DST.

Naturellement, une fois le principe général posé, de l'augmentation artificielle de pression par le fait de forcer le fluide vers le bas, pour compenser la perte de pression subie à la sortie des perforations, I'homme de métier pourra envisager des variantes qui feront partie de l'invention.

On pourra notamment prévoir des échantillonneurs intégrés au tubage avec des points de passage g, h du fluide appropriés le long et/ou au travers du tubage, ces dispositions étant à la portée de l'homme de métier.

Selon une possibilité, ledit piège ou moyen est essentiellement intégré à l'un des éléments inférieurs du tubing ou à son élément inférieur.

On pourra également prévoir des vannes (11) (cf. Figure 1) activées par un outil au niveau, ou sensiblement au niveau, des "packers", permettant de commander l'ouverture ou la fermeture de l'annulaire par le haut, et éventuellement d'autres moyens connus pour nettoyer ou "purger" le haut de la zone de son gaz ou autre fluide non représentatif.On peut également avoir recours à un autre système pour nettoyer le bas de son eau ou autre fluide non représentatif. Un tel procédé consistera à placer le tubing très bas et à le remonter quelque peu une fois la purge achevée. Un tel outil (11) peut être remplacé par d'autres moyens, tels que des orifices, réalisant un autre type d'ouverture.

On pourra aussi envisager (Fig. 4) un échantillonneur traditionnel avec prise d'échantillon dans l'annulaire par tout moyen approprié (i) ce qui laisse un passage important E pour faire face aux forts débits. Naturellement, la prise (i) peut être modifiée et aussi se situer à la base de l'échantillonneur.

L'homme de métier comprendra que l'invention permet également de prélever pour analyse certains fluides de caractère "difficile" tels que ceux où on voit des précipités comme les asphaltènes ou cires qui apparaissent parfois à la chute de pression. Dans ce cas le fluide démontre la condition diphasique solide/liquide. On sait que ces précipités peuvent souvent passer totalement inaperçus, et n'être révélés que lorsqu'ils provoquent de très important troubles en production ( colmatage etc... ). Celà est donc un aspect très important de l'invention.

Par exemple, dans le cas de l'utilisation conjointe d'outil d'essais aux tiges, le fluide est forcé par des moyens mécaniques de suivre un écoulement dirigé au moins partiellement vers le bas, c'est à dire vers le fond du puits, au
sortir de la zone productrice (6) vers un échantillonneur (8) placé ou intégré dans ledit outil d'essai.

L'invention permet encore l'échantillonnage d'eau saturée de gaz, par exemple couche aquifère sous l'huile, ou encore très utile en géothermie où la connaissance du gas et de sa nature, corrosive comme H2S ou non, est essentielle.

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Configuration de fond de puits pétrolier, géothermique ou analogue pour échantillonnage, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour compenser au moins partiellement, mais de préférence totalement, la perte de pression subie par le fluide produit lorsqu'il sort du réservoir ou gisement.

2. Configuration de fond de puits pétrolier, géothermique ou analogue, selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'on dispose au moins un moyen permettant de forcer le fluide (2) à suivre un écoulement dirigé au moins partiellement vers le bas, c'est à dire vers le fond du puits, au sortir de tout ou partie des perforations (2) ou autrement de la zone productrice, vers un échantillonneur (8) placé ou intégré dans le tube de production ou tubage ou "tubing" (3).

3. Configuration selon la revendication 2 caractérisée en ce que ledit moyen consiste à prolonger le tubage ou tubing (3) vers le fond du puits au dessous du niveau d'au moins la perforation (2) supérieure.

4. Configuration selon la revendication 3 caractérisée en ce que l'on prolonge le tubage ou tubing (3) jusqu'à un niveau situé plus bas que les perforations intermédiaires et de préférence plus bas que la perforation (2) inférieure.

5. Configuration selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'on prolonge le tubage ou tubing plus bas que la perforation inférieure.

6. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'échantillonneur (8) comporte un piège (9) pour empêcher tout condensat ou autre liquide de retomber vers l'échantillonneur.

7. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que l'on ménage au dessus de l'échantillonneur un moyen pour diriger toute retombée de liquide loin de l'ouverture de prise d'échantillon dans l'échantillonneur.

8. Configuration selon la revendication 7 caractérisée en ce que ledit moyen consiste en un passage conçu pour conduire toute retombée de condensat ou autre liquide vers un niveau plus bas que l'échantillonneur.

9. Configuration selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'échantillonneur comporte des points de passage g, h de fluide soit pouvant dépasser le tubing par le bas, pour remonter dans l'annulaire, soit pouvant traverser le tubing (3) et/ou être disposés le long du tubing.

10. Configuration selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que ledit piège ou moyen est essentiellement intégré à l'un des éléments inférieurs du tubing ou à son élément inférieur.

11. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce que l'échantillonneur est intégré à l'un des éléments inférieurs du tubing ou à son élément inférieur.

12. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 caractérisée en ce que l'on dispose sensiblement au niveau des éléments d' isolement de zone ou "packers" ou légèrement au dessous au moins un outil comportant des vannes (11) pour commander l'ouverture ou la fermeture de l'annulaire du puits.

13. Configuration selon la revendication 12 caractérisée en ce que l'outil est remplacé par d'autres moyens, tels que des orifices, réalisant un autre type d'ouverture.

14. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que l'on dispose d'autres moyens pour nettoyer et/ou purger la zone de l'annulaire servant à la prise d'échantillon soit de son gaz à la partie supérieure soit de son eau à la partie inférieure.

15. Configuration selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments du tubage bobiné ou " coiled tubing ".

16. Configuration selon la revendication 1 caractérisée en ce que à la base de l'outil d'essais aux tiges le fluide est forcé par des moyens mécaniques de suivre un écoulement dirigé au moins partiellement vers le bas, c'est à dire vers le fond du puits, au sortir de la zone productrice (6) vers un échantillonneur (8) placé ou intégré dans ledit outil d'essai.

17. Procédé pour la prise d'échantillon de fluide produit dans un puits pétrolier, géothermique ou analogue, caractérisé en ce que l'on compense au moins partiellement, mais de préférence totalement, la perte de pression subie par le fluide produit lorsqu'il sort du réservoir ou gisement.

18. Procédé pour la prise d'échantillon de fluide produit dans un puits pétrolier, géothermique ou analogue, en fond de puits, selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'on dispose au moins un moyen permettant de forcer le fluide à suivre un écoulement dirigé au moins partiellement vers le bas, c'est à dire vers le fond du puits, au sortir de tout ou partie des perforations ou autrement de la zone productrice (6), vers un échantillonneur (8) placé dans le tubage ou tubing (3).

19. Procédé pour la prise d'échantillon de fluide produit dans un puits pétrolier, géothermique ou analogue, en fond de puits, caractérisé en ce que l'on utilise ou installe une configuration de fond de puits selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.

20. Echantillon de fluide produit dans un puits pétrolier, géothermique ou analogue, en fond de puits, caractérisé en ce qu'il a été prélevé à l'aide d'une configuration de fond de puits selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 et/ou par un procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 19.