FR2925933A1 - Systeme de recuperation assistee de petroles extra-lourds - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif à installer dans les puits d'extraction d'hydrocarbures extra lourds en vue d'assister et augmenter la récupération et la production du gisement exploité.Le principe gouvernant l'ensemble du système consiste à fournir, en divers points du puits, l'énergie nécessaire au déplacement du pétrole brut, tout en permettant, simultanément, d'agir sur la viscosité et le régime d'écoulement de l'effluent en vue d'optimiser le débit de production.L'ensemble est constitué de plusieurs étages (de 3 à 8, ou plus pour les cas les plus sévères) qui reçoivent de la surface, et indépendamment les uns des autres, le fluide moteur. Chaque étage est composé d'un anneau (2) et d'un obturateur interne (9) fixés au tube de production (6). Chaque anneau est muni d'un tube flexible latéral (3) conduisant le fluide moteur pompé sous haute pression depuis la surface. Un jet annulaire à grande vitesse, dirigé de bas en haut et ajustable à volonté, est ainsi généré à différents niveaux du tube de production. Le système est automatisé grâce à un pilotage par ordinateur, lequel reçoit et traite les données de capteurs interposés dans le circuit.Le contrôle en temps réel de l'état dynamique global du système permet de moduler à volonté le régime d'écoulement dans le tube de production.

Description

La présente invention concerne un dispositif de récupération assistée pour la production d'hydrocarbures extra lourds. Le système proposé est prévu en particulier pour l'extraction de sables ou schistes bitumineux, ou de tous autres hydrocarbures de densité et viscosité élevées.

Le dispositif, dans son intégralité, ou limité à certaines de ses parties, peut aussi être utilisé pour résoudre des problèmes de pompage de fluides divers très épais, quels qu'en soient les domaines d'application : par exemple, en substitution aux pompes traditionnelles à succion, pour le déplacement de suspensions liquides ou de mélanges très visqueux, homogènes ou hétérogènes, ou assimilables à des mélasses pâteuses, dans les réseaux de conduites destinées à leur transfert. Il peut également être adapté aux problèmes de nettoyage de dépôts (paraffines, sels, ou autres) qui se forment parfois dans les tubes en conséquence des conditions physico-chimiques et thermodynamiques, et des régimes d'écoulement existant dans ces lignes. Un usage particulier, sur les puits offshore localisés dans les zones à grande profondeur d'eau, consiste à insérer ce système, en l'adaptant aux conditions particulières, le long des tubes ou flexibles de production reliant la tête de puits fixée au fond de l'eau à la station flottante de stockage et expédition située en surface. Certains gisements d'hydrocarbures lourds (particulièrement ceux correspondant à des formations du type schistes ou sables bitumineux), en général peu profonds, présentent pour la production une difficulté majeure due à la très haute viscosité de l'effluent, alliée souvent à une densité élevée. A ces inconvénients s'ajoutent par ailleurs la faiblesse de l'énergie potentielle disponible dans le réservoir sous forme de pression, ce qui rend problématique le pompage vers la surface. La mise en mouvement du brut dans la roche-magasin en direction des abords du puits d'extraction pouvant être, éventuellement, stimulée par un apport d'énergie additionnelle à travers un ou plusieurs puits d'injection de vapeur, il reste à assurer le déplacement jusqu'à la surface dans le tube de production. Les solutions classiques de pompage, lorsqu'elles ne sont pas totalement inopérantes, sont peu efficaces et de faible rendement, et toujours problématiques, ce qui limite grandement la productivité du gisement et le rendement économique des installations de production. Le problème peut être si important qu'il oblige parfois à abandonner la technique de production par drainage et la remplacer par excavation à ciel ouvert, où la totalité de la roche magasin (fluides et solides) doit être extraite en vue de séparation ultérieure en surface : méthode lourde, peu efficace et coûteuse. L'appareillage proposé ici est destiné à assurer, avec un rendement énergétique satisfaisant, le transport du brut du fond à la surface. A cet effet, le système traditionnel de pompage est remplacé par un ensemble dans lequel n'intervient aucune pompe à succion : l'énergie de déplacement du fluide est fournie par des pompes volumétriques situées en surface, connectées, côté refoulement, par des conduites séparées, à plusieurs récepteurs spéciaux fixés sur la ligne de production du puits. Le mécanisme central du système est constitué par l'inclusion, le long du tube du tube de production, de 2 à 6 éléments (ou plus suivant les cas), dénommés ici anneaux impulseurs, destinés en premier lieu à transmettre l'énergie requise pour le déplacement du liquide visqueux. Chacun de ces éléments est alimenté par un liquide moteur (ou fluide impulseur) fourni par une pompe hydraulique indépendante à haute pression (100 à 200 bars). Une partie de l'énergie potentielle ainsi reçue est transformée par l'anneau impulseur en énergie cinétique, sous forme d'un jet de fluide à profil annulaire, à grande vitesse, entraînant le liquide visqueux dans le tube de production. Le fluide impulseur (utilisé à température ambiante ou chauffé) peut être constitué d'eau, ou hydrocarbure léger, ou de tout autre mélange liquide, avec ou sans addition de produits tensio-actifs. Pour la production de bruts communs, de viscosité et densité usuelles, il existe déjà des systèmes basés sur ce principe mettant en oeuvre pour le fluide impulseur, soit un gaz (technique dite du "gas-lift"), soit un liquide. Dans les deux cas, l'injection du fluide énergisant n'est pratiquée que par une seule voie, laquelle est constituée par l'espace annulaire entre le tube de production et le tube de soutènement du puits (cuvelage) qui le contient. Pour la production de pétroles très lourds, le gas-lift n'est de toute façon pas applicable, quelles que soient les modalités d'injection, car le gaz sous pression remonterait à la surface par cheminement ("finger-through") dans la masse hautement visqueuse du brut, sans l'entraîner. Par suite de limitations techniques, et aussi économiques, les puits d'exploitation des gisements profonds habituels sont d'un diamètre aussi faible que possible, ce qui conduit à des dimensions très réduites de l'espace annulaire entourant le tube de production. Pour cette raison, la méthode faisant intervenir un fluide énergisant liquide ne résout pas plus le problème que le gas-lift, car l'injection en surface n'est possible que par une voie unique (résultant du fait que l'espace annulaire ne permet pas d'accommoder plusieurs tubes parallèles autour de la ligne de production). Dans le cas de gisements dont l'effluent est excessivement lourd et visqueux, éventuellement chargé en particules solides susceptibles de favoriser la création de bouchons pouvant bloquer le mouvement vers la surface, on doit pouvoir garder à tout moment le contrôle du ou des régimes d'écoulement en tous points de la ligne de production, depuis le fond du puits jusqu'à la surface.

Pour maîtriser, en temps réel cet impératif, il ne suffit pas d'insérer plusieurs étages d'injection de fluide moteur sur la ligne, il faut aussi, impérativement, que chacun des points d'injection soit totalement indépendant des autres ; et l'on ne peut maîtriser correctement cette contrainte que si chacun des anneaux impulseurs est muni d'une ligne exclusive d'injection. Or, les principaux gisements connus (Canada, Venezuela, ...) de sables bitumineux et autres bruts très lourds, sont peu profonds (quelques centaines de mètres), et pour ces faibles profondeurs les puits d'extraction peuvent être de grand diamètre (technique courante et économiquement viable). L'idée directrice conduisant à la présente invention consiste donc à mettre à profit cette situation spécifique en équipant le puits d'un cuvelage de grand diamètre (70 à 100 cm), dans lequel le tube de production, dont le diamètre peut varier entre 15 à 30 cm, ménage un espace annulaire suffisant (25 à 30 cm) pour accommoder plusieurs tubes d'injection de fluide moteur. On peut ainsi installer le long du tube de production, à intervalles choisis, autant d'anneaux impulseurs que les conditions l'imposent pour assurer un contrôle optimal de l'écoulement de l'effluent vers la surface. C'est sur la base de cette particularité qu'est développé le présent dispositif : Les tubes latéraux sont constitués par des flexibles haute pression (diamètre extérieur 5 à 10 cm suivant les cas). Ces tubulures, ainsi que les diverses conduites de commande hydraulique et les lignes de transmission des signaux de capteurs éventuels, constituent un ensemble dénommé ici génériquement lignes de service, et sont assujetties parallèlement au tubage de production, dans l'espace annulaire compris entre celui-ci et le cuvelage.

Dans tous les cas, ces tubulures sont celles couramment disponibles chez les équipementiers de l'industrie pétrolière. Il en est de même pour les capteurs de pression ainsi que pour les récepteurs de surface (vannes et connexions haute pression, tambours d'enroulement de tubes flexibles, appareils et systèmes électroniques de contrôle et régulation, etc.). Le choix du modèle de chacun de ces éléments de service est déterminé, entre autres considérations, par leur adaptabilité aux configurations spéciales prévues pour le système dans son ensemble. Le derrick de mise en production est spécialement équipé, au niveau de sa sous structure (étage situé sous la table de rotation), d'un mécanisme permettant de dérouler les flexibles en continu pendant la descente de l'ensemble, et l'enrouler à la remontée (vue schématique, figure 1.2). La protection des tubes latéraux est assurée grâce à des volets métalliques, formés de secteurs circulaires amovibles, rendus solidaires du tube de production par des colliers circulaires fixés sur le pourtour de ce tube pendant la descente. La longueur des volets protecteurs est prévue de telle sorte qu'elle soit un sous-multiple (facteur 3 ou 4) de celle des tubes de production. La coquille extérieure cylindrique ainsi formée protège l'ensemble du train de production contre les frottements excessifs qui, autrement, pourraient détériorer les lignes latérales dans les mouvements verticaux de descente ou de remontée. En outre, pendant la mise en place, la vitesse de descente du train est maintenue suffisamment lente pour atténuer tout effet qu'un défaut de verticalité du puits pourrait induire. Grâce à ce système de protection, le train de production peut être descendu aussi bien dans des puits verticaux ou sub-verticaux, que dans des puits inclinés ("slanted holes") qui sont de pratique courante pour les gisements peu profonds. Chaque flexible haute pression constituant une ligne d'injection de fluide impulseur est monté, en surface, sur un tambour enrouleur/dérouleur à commande hydraulique, lequel comporte un système de contrôle et régulation de la traction axiale. Le positionnement de ces tubes souples sur des lignes verticales parallèles à l'axe du tube de production, est assuré, au niveau de l'entrée du puits, grâce à un système de poulies, situé dans la sous structure de la sonde, formant renvoi d'angle et orienté radialement autour de la tête de puits. Les lignes de service destinées à la transmission des signaux des capteurs jusqu'à la surface sont mises en place de manière analogue, avec un mécanisme similaire, mais de taille plus réduite. Pour un meilleur contrôle du flux de l'effluent, quelles qu'en soient les conditions, les anneaux impulseurs peuvent être munis, à leurs bases respectives, d'obturateurs internes spéciaux (type clapet anti-retour ou autres modèles, décrits plus bas) opérés hydrauliquement depuis la surface.

La possibilité de variation de la vitesse du jet de fluide impulseur, par modification en surface du débit d'injection, combinée, à volonté, avec la faculté d'ouverture ou fermeture des obturateurs spéciaux associés, permet d'induire des fluctuations périodiques des vitesses et des régimes d'écoulement du fluide drainé dans le tube de production.

Un modèle particulier de manchon impulseur (décrit dans les figures 9 à 12), comporte, associés dans un ensemble unique, l'élément injecteur de fluide énergisant, et un obturateur interne à membrane élastique permettant de contrôler la section annulaire de passage de l'effluent du puits, jusqu'à fermeture totale.

Les fluctuations des paramètres opérationnels contrôlées en temps réel au niveau de chaque étage sont à la base de l'optimisation du débit global moyen que peut atteindre le système. En particulier, lorsque l'effluent se présente sous forme de bouchons très visqueux (mono ou multiphasiques, avec ou sans gaz dissous, avec ou sans particules solides), alternés avec d'autres parties plus fluides, il est possible de générer dans le tube de production un état complexe de mobilité, où alternent, le long de diverses sections, des régimes d'écoulement différents (laminaires, turbulents, ou du type bouchon semi solide). Additionnellement, la fermeture d'un (ou de plusieurs) obturateur(s) interne(s), en concomitance avec l'arrêt du débit de fluide injecteur dans l'anneau impulseur qui lui est associé, permet la création, entre deux anneaux consécutifs, d'une zone d'écoulement à vitesse momentanément nulle, ou même négative pendant un temps très court (effet de yo-yo), ce qui favorise l'auto nettoyage du tube de production. Il en résulte une grande souplesse dans l'approche de mise en mouvement de l'effluent, fournissant ainsi un moyen efficace de combattre les bouchages, autrement incontrôlables. On obtient, in fine, un débit moyen aussi élevé que possible. Pour les puits peu profonds (100 à 200 mètres) et lorsque les conditions du gisement et de son effluent le permettent, le système peut être limité à l'utilisation de trois ou quatre anneaux impulseurs.

Pour des conditions plus sévères - et si, pour d'autres raisons, on désire minimiser la distance entre les anneaux - on peut en augmenter le nombre (grâce à la dimension importante de l'espace annulaire), jusqu'à un maximum de 8 à 10, suivant les diamètres extérieurs des flexibles d'injection utilisés. Les paramètres de fonctionnement (principalement pression, débit, température) de l'ensemble du système, sont mesurés en permanence et leur valeur est ajustée à chaque instant afin d'optimiser le rendement de l'opération. La fonction de régulation automatisée est assurée grâce au traitement par ordinateur des signaux reçus des capteurs de paramètres systémiques répartis le long de la colonne de production. L'ordinateur déclanche un effet retour (feed- back) au mécanisme de contrôle associé au système, permettant ainsi un pilotage permanent basé sur des programmes spéciaux développés en tenant compte de tous les paramètres en jeu : signaux provenant des capteurs, mais aussi nature du fluide à déplacer, viscosité, pression et température en amont, ainsi que des données géométriques telles que profondeur, dimensions des tubes de production, etc. Le rendement du système est essentiellement dépendant des combinaisons de valeurs des paramètres (débit, pression, dimensions et vitesse du jet) pour chacun des anneaux impulseurs, par rapport aux valeurs correspondantes pour les autres anneaux. En conséquence, le traitement en temps réel des données de fonctionnement aux différents étages est essentiel pour une adaptation efficace aux conditions effectives rencontrées pendant les opérations, même en cas de variabilité de celles-ci. Les éléments faisant partie de l'ensemble du dispositif existent, pour la plupart, dans l'industrie, y compris pour des applications d'assistance à l'écoulement de fluides. Certains peuvent être utilisés tels que disponibles chez les fournisseurs habituels, lorsque leur forme particulière et leurs caractéristiques permettent une intégration directe. Pour d'autres, il est nécessaire de concevoir un modèle particulier qui puisse répondre aux contraintes et impératifs spécifiques du problème à résoudre..

La structure complète du système (incluant ses principaux éléments, les accessoires particuliers qui les relient et l'architecture fonctionnelle d'ensemble) est présentée dans les croquis et dessins annexes, explicités par les notes descriptives qui leur correspondent. Les croquis Fig 1 ; 1.1 ; 1.2 ; 1.3 et 1.4, ne visent qu'à illustrer le principe général de fonctionnement de l'ensemble d'appareils constituant le système. Pour ces croquis, l'échelle n'est pas respectée, compte tenu de la disproportion entre profondeur et dimensions latérales. La figure 1 est limitée à la description des éléments de base : la partie supérieure (8) du système est installée en surface, constituant la tête de puits, communément dénommée arbre de Noël, et comporte tous les éléments habituels de contrôle et de manutention prévus pour ce type d'installation, auxquels s'ajoutent des éléments spécifiques constitutifs du système d'extraction assistée (tels que réceptacles et connexions de surface pour les conduits (3) de transport de fluide impuseur). Le cuvelage (7), dénommé habituellement "casing", est cimenté dans le terrain et se termine en pleine ouverture, à sa partie inférieure, au sommet de la couche productrice. Dans la présente hypothèse, on considère que le brut à produire est drainé jusqu'aux abords de l'extrémité inférieure du cuvelage, soit naturellement par la pression du gisement, soit grâce à un apport additionnel d'énergie provenant de puits d'injection de vapeur voisins. A partir de ce point, le cheminement de l'effluent du fond du puits jusqu'à la surface est pris en charge par le système d'assistance à la production décrit ici. Dans cette première version, le premier anneau impulseur, dénommé ici sabot impulseur (1), vissé à l'extrémité du tube de production (6), reçoit le fluide impulseur sous pression injecté depuis la surface à travers le tube (3), et le transforme en jet annulaire à haute vitesse dirigé vers le haut à l'intérieur du tube de production. Un deuxième anneau impulseur (2) est placé plus haut dans le tube, à une distance qui dépend des divers paramètres spécifiques au gisement et au puits producteur (profondeur, viscosité et densité de l'effluent, pression de fond, etc.) ; cet anneau reçoit de la surface, par le tube (4), le fluide impulseur sous pression, et fonctionne comme le sabot impulseur. Suivant les besoins, d'autres anneaux impulseurs, non représentés sur la figure, peuvent être ajoutés le long de la ligne de production, leur fonctionnement étant identique à celui des précédents.

L'espace annulaire entre le cuvelage (7) et le tube de production (6) est obturé à sa partie inférieure, immédiatement au-dessus du sabot, par un obturateur annulaire spécial (5), commun dans l'industrie pétrolière pour les puits de production à zones multiples. Cet obturateur n'est figuré ici que schématiquement, ne présentant qu'une particularité fonctionnelle inhérente au système décrit : celle de permettre la continuité du tube injecteur (3) jusqu'au sabot. Dûment ancré dans le cuvelage, il isole l'espace annulaire cuvelage / tube de production et permet de maintenir cet espace constamment rempli de fluide jusqu'à la surface.

En addition aux éléments décrits plus haut, on peut ajouter, au niveau de chaque anneau impulseur, un capteur de pression (avec son transducteur), pour un contrôle en temps réel de la pression dynamique mesurée à la côte de l'anneau. Dans ce cas, un câble conducteur électrique relie chacun des capteurs à la surface, ces lignes étant installées le long des tubes injecteurs dans l'annulaire. En surface, le tube de production (6), muni d'une vanne maîtresse de contrôle, est relié aux réservoirs récepteurs soit directement, soit par l'intermédiaire de pompes, ou d'anneau(x) impulseur(s) additionnel(s). L'arbre de Noël est équipé de tous les capteurs jugés utiles à la mesure des paramètres de production (pression, débit, température, etc), en vue de l'optimisation de l'extraction. L'ancrage en surface du cuvelage et la suspension du tube de production, ainsi que les autres accessoires nécessaires au contrôle global du puits sont ceux couramment utilisés pour les puits de pétrole habituels.

Les pompes haute pression de surface, fournissant l'énergie au fluide impulseur sont du type pompes volumétriques (à déplacement positif), dont de nombreux modèles sont disponibles dans l'industrie d'équipements pétroliers. La figure 1.1 illustre une version différente de localisation des éléments de l'étage inférieur du système, l'obturateur annulaire (5) étant placé au point le plus bas de la colonne, sous le premier anneau impulseur. Pour des raisons de simplicité d'équipement, notamment en ce qui concerne l'obturateur pouvant dans ce cas être d'un modèle standard, cette version est préférable à la précédente. Au dessous de l'anneau impulseur (1) est placé un obturateur interne (9), pouvant être du type clapet anti-retour standard, ou d'un autre type comme il sera décrit plus bas. Cet obturateur est muni de son couple de lignes hydrauliques (11) et (12) permettant le contrôle depuis la surface. L'étage inférieur (I) peut être répété à l'identique en plusieurs étages (II), le long de la colonne de production, suivant les besoins.

La figure 1.2 est composée, à gauche, de la partie A, illustrant les éléments du système situés sous la surface du sol, ci-après dénommés équipement de fond, et, à droite, de la partie B correspondant aux équipements de surface. L'équipement de fond (partie A) est constituée de plusieurs étages : étage inférieur (I), étages intermédiaires tels que (II), et étage supérieur (III), lequel se termine, en surface, immédiatement au dessous des systèmes de suspension des différents tubes. L'équipement de surface (partie B du croquis), est intégré dans les structures du derrick d'exploitation du puits. Il est composé essentiellement des éléments localisés en (Si) au dessus du "plancher" du derrick (c'est à dire au dessus de la table de rotation), de ceux (S2) placés dans la sous structure du derrick, et des éléments localisés en (S3) constituant le système de suspension et d'ancrage des tubes et conduits du puits. L'étage inférieur (I) de fond de puits comprend l'obturateur annulaire (5) dont la fonction essentielle est d'isoler l'annulaire tube de production/cuvelage, permettant de maintenir celui-ci rempli de boue, sans danger de contamination de la couche productrice de pétrole. Cet étage est constitué par un anneau impulseur (2), et, placé immédiatement au dessous, un obturateur interne (9). La conduite souple (3) transmet le fluide impulseur sous pression de la surface à l'anneau ; les conduites (11) et (12), de faible diamètre, constituent l'aller- retour du fluide hydraulique vers les vérins de contrôle des obturateurs internes (9). Les étages intermédiaires tels que (II) sont identiques à l'étage (I), mais ne comportent pas l'obturateur (5). L'étage (III) n'est pas détaillé ici, étant composé de l'équipement commun 25 utilisé dans tous les puits de pétrole. L'équipement de surface, spécifique au système, comporte, outre les pompes et accessoires divers (non représentés), un tambour enrouleur/dérouleur (13) qui porte la conduite flexible de fluide impulseur (3), laquelle est reliée à une rotule axiale (14). Une poulie de renvoi (15) équipée de tensiomètre et dont 30 le plan est orientable autour d'un axe vertical (pour alignement des spires sans chevauchement sur le tambour) assure le positionnement de la ligne à la verticale du puits, sur une ligne parallèle a l'axe de celui-ci. En amont de la rotule (14), la ligne (3) est connectée à la pompe de fluide moteur située en surface. 35 Conformément au nombre d'étages impulseurs installés sur la ligne de production, les sous ensembles tambour enrouleur/dérouleur et poulie de renvoi sont positionnés radialement autour de l'axe du puits (position de l'axe symbolisée XX' sur le croquis). L'exemple schématisé ici permet d'accommoder jusqu'à huit lignes de fluide impulseur.

Les figures 1.3 et 1.4 illustrent les détails du système de protection des lignes de service (tubes de fluide impulseur et autres) ainsi que la manière opératoire permettant leur montage pendant la descente du train de production dans le puits.

La Figure 1.3 est une coupe transversale : Des colliers cylindriques (2) sont fixés pendant la descente sur le tube de production (1) à intervalles réguliers déterminés par la hauteur des volets de protection (3). Ces colliers, dont le diamètre intérieur est supérieur au plus grand diamètre extérieur du tube de production (1), sont maintenus solidaires de celui-ci grâce à quatre coins d'ancrage (5) qui sont fixés par vis sur le corps de collier (2). Les conduites de service (ligne de fluide impulseur (4), et autres) sont positionnées pendant la descente dans les alvéoles prévues à cet effet à la périphérie des colliers (2) et sont ensuite recouvertes par les volets amovibles protecteurs (3) dont la section a la forme d'un secteur circulaire.

La Figure 1.4 est une coupe longitudinale brisée (suivant les lignes aaaa définies dans la figure 1.3) : elle permet d'illustrer le mode de mise en place des volets au cours de la descente (mouvement d'approche radial "a", suivi d'un mouvement vertical vers le bas "b" jusqu'au verrouillage en place) ). Après ce positionnement, les volets sont fixés sur les colliers (3) par vis non représentées sur le croquis. Les figures qui suivent sont à l'échelle 1/2, et sont établies pour un prototype d'essai de taille moyenne, étant entendu que les anneaux impulseurs, obturateurs internes et accessoires peuvent être dimensionnés différemment afin d'être adaptés aux conditions géométriques du puits producteur (profondeur, diamètre du cuvelage de production). Pour des gisements à faible profondeur, des dimensions deux à trois fois plus élevées sont envisageables. La figure 2 représente en détail un sabot impulseur à géométrie fixe. Il est connecté par vissage à la partie inférieure du tube de production (6). L'ensemble est constitué de la semelle (1) vissée au corps principal (2), avec joint d'étanchéité annulaire (3) interposé entre les deux. Le corps principal porte, vers le haut, un perçage fileté permettant la connexion d'un tube injecteur (tel que décrit à propos de la figure 1). La forme des deux pièces constitutives du sabot est telle que le fluide arrivant par le tube injecteur est réparti en jet annulaire dirigé de bas en haut, avec une épaisseur de jet de quelques millimètres (calculée pour assurer une vitesse optimale du jet). Pour des considérations de résistance à l'usure par frottement de fluide, la partie intérieure de la semelle (délimitant géométriquement le chemin annulaire du jet) peut être constituée d'un anneau fretté en carbure de tungstène ou autre alliage à très haute résistance à l'abrasion.

La figure 3 représente un anneau impulseur à géométrie fixe. Intercalé par vissage le long du tube de production (6), il est composé d'une jupe inférieure (1) vissée sur le corps principal supérieur (2), avec joint d'étanchéité (3) interposé entre les deux. La géométrie interne de cet élément est basiquement identique à celle du sabot impulseur. La figure 4 représente un sabot impulseur à géométrie variable : l'épaisseur du jet impulseur peut être réglée à chaque instant entre deux limites fixées à l'avance (par exemple entre 5 et 9 millimètres). L'ajustement de ce paramètre est assuré par une légère rotation (10 à 15 degrés d'angle) de la semelle (1), laquelle est libre en rotation autour de l'axe du corps supérieur (2), et se trouve assujettie dans son déplacement longitudinal par une rampe hélicoïdale (4) dont le différentiel de translation est égal à la plage prévue pour la variation maximale de l'épaisseur du jet (3 à 4 mm). Le mécanisme permettant d'obtenir cette rotation est composé essentiellement d'un vérin hydraulique à double effet contrôlant la translation d'une crémaillère (sous ensemble non représenté ici), et dont les tubulures hydrauliques de commande (de très faible diamètre) se prolongent jusqu'en surface. Le mouvement longitudinal de la crémaillère est transformé en rotation par le sous ensemble cinématique (5) fixé solidairement sur le corps supérieur du sabot (2). Dans ses détails constitutifs, ce sous-ensemble est composé d'un corps contenant les éléments cinématiques, pignons et renvoi d'angle, repères (8) et (9). Des joints toriques assurent l'étanchéité entre la semelle (1) et le corps supérieur (2) du sabot. La figure 4.1 est une vue de dessus montrant le sous ensemble cinématique 25 (5) sur lequel est fixé par vis latérales sur sa partie supérieure le vérin de commande hydraulique. La figure 5 représente un autre modèle de sabot impulseur à géométrie variable, dans lequel le déplacement axial générant la variation d'épaisseur du jet est obtenu directement grâce à trois petits vérins hydrauliques (repère 3) fixés 30 sur la périphérie du corps supérieur (2) du sabot. Le piston de chacun de ces vérins entraîne dans ses déplacements verticaux la semelle (1) surmontée de la couronne (4) du sabot par l'intermédiaire d'un taquet transversal, solidaire du piston, et engagé dans une rainure pratiquée sur le pourtour supérieur de la semelle. Des conduites hydrauliques à haute pression (a) et (b), de très faible 35 diamètre (quelques millimètres) relient ces vérins à la surface, permettant de contrôler et d'ajuster la position verticale du piston et, par suite, l'épaisseur du jet impulseur, dans les limites prévues pour le modèle. La figure 6 représente un anneau impulseur intermédiaire à géométrie variable. Le système de réglage d'épaisseur du jet impulseur est identique, dans 40 les grandes lignes, à celui décrit dans la figure 5 : trois vérins hydrauliques tels que celui repéré (3) sur le croquis, sont répartis à 120° sur la périphérie du corps supérieur (2) et leur tige axiale est reliée par vissage au piston (4), libre de se mouvoir longitudinalement dans la jupe (1). Des joints tores assurent l'étanchéité entre piston (4) et jupe (1). Les vérins sont fixés par vis sur la partie supérieure du corps supérieur (2), et un joint d'étanchéité interposé à la base des vérins isole l'espace annulaire (tube de production / cuvelage), de la volute intérieure. La figure 7 représente un clapet anti-retour escamotable à commande hydraulique. Il est composé essentiellement du corps (1) présentant haut et bas un filetage qui permet son intégration par vissage dans le train de production, soit au dessus du sabot impulseur, soit au dessous du ou des manchons intermédiaires impulseurs. Le disque (2) peut pivoter de 90° autour d'un axe orthogonal par rapport à l'axe longitudinal de l'ensemble. En position fermée, il s'appuie sur le siège aménagé dans la base (a) du corps (1). Entre la partie inférieure et la partie supérieure du siège du clapet un petit canal de très faible diamètre (3 à 6 mm) est pratiqué pour servir de "bypass" afin de limiter la pression différentielle éventuelle qui pourrait rendre problématique le début de la manoeuvre d'ouverture. La rotation est commandée par un vérin hydraulique (3), non représenté dans ses détails, dont le piston est solidaire d'une crémaillère (4), engagée dans le secteur circulaire denté (b) du disque (2). Le mouvement longitudinal, vers le haut et vers le bas, du piston du vérin (3) est commandé depuis la surface par application de pression hydraulique via un couple de tubes dont il est fait mention clans la planche 3 /19 (figure 1.2 : repères 11 et 12). Ce vérin est identique à celui décrit dans la figure 5 (planche 10 / 19 , repère 3).

Les Figures 8, 8.1 et 8.2 représentent diverses vues d'un obturateur interne à lames glissantes, conçu pour isoler à volonté un anneau impulseur de l'étage qui lui est immédiatement inférieur. Il est composé essentiellement de quatre lames à profil incurvé pouvant glisser le long de gorges pratiquées dans les parties, inférieure (1) et supérieure (2), formant le corps de l'appareil, jusqu'à jointure des lames en position de fermeture totale. Chaque lame (4) est liée par un système de bielles (5) et (6) au piston d'un vérin hydraulique (7) commandé depuis la surface grâce aux lignes aller-retour (a) et (b). Un joint d'étanchéité (3) est interposé entre les deux parties du corps, lesquelles sont solidarisées par quatre vis (8). Les limites de position des lames et de leurs bielles associées sont indiquées sur la figure 8 par les repères (F), obturateur fermé, et (0), obturateur ouvert. Dans la position fermée, l'étanchéité totale de l'obturateur n'est nullement requise, l'isolation absolue entre les étages adjacents n'étant pas recherchée : il suffit que les lames viennent en contact pour que soit obtenu le résultat désiré.

Les figures 9, 10, 11 et 12 représentent des anneaux à membrane élastique rétractile, combinant les fonctions anneau impulseur et obturateur interne. Trois modèles sont disponibles comme décrit ci- dessous : La figure 9 illustre un anneau dont la membrane (4), cylindrique, est maintenue à ses extrémités entre les parties (1) et (2) d'une part, et (2) et (3) d'autre part, du corps de l'anneau. Par application de pression depuis la surface grâce à une ligne de service connectée à l'anneau en (c), la membrane élastique se déforme à partir de la position (0), vanne totalement ouverte, à la position (F), vanne totalement fermée. Toutes les positions intermédiaires sont possibles, par ajustement de la pression appliquée. Le fluide impulseur, injecté en (d), produit un jet central dans le tube de production, avec effet venturi entraînant l'effluent vers le haut. L'extrémité du tube central est munie d'un ajutage amovible (non représenté) dont la forme et les dimensions sont établies de façon à produire un jet optimum pour les plages de débit envisagées.

La figure 10 illustre un modèle d'anneau à membrane rétractile dans lequel celle-ci est composée de trois éléments : La membrane élastique proprement dite (4), dans laquelle on place à chaque extrémité une chambre torique élastique (5) dont on peut contrôler la pression intérieure depuis la surface par l'intermédiaire d'une ligne de service connectée à l'entrée (e). La membrane est gonflée de la position ouverte (0) à la position fermée (F) par application, en surface, de pression hydraulique communiquée par une ligne connectée en (c). Pendant le gonflage de la membrane, (de la position (0) à la position (F) ), la pression dans les deux chambres toriques est diminuée pour permettre l'allongement de la paroi de la membrane sans fatigue excessive du matériau élastique qui la compose. Réciproquement, à l'ouverture (position (F) à position (0) ), la pression dans les chambres toriques est augmentée afin de fournir une force de rappel additionnelle à la membrane vers la position de pleine ouverture. Les figures 11 et 12 illustrent un modèle d'obturateur interne à membrane rétractile dans lequel le rappel de la membrane vers la position ouverte est assuré par des ressorts hélicoïdaux (6) distribués sur la périphérie de l'appareil. Ces ressorts, au nombre de 8 à 12, ont chacun un faible coefficient de rigidité et une longueur calculée pour fournir, ensemble, une force de rappel adéquate et permettre une course utile suffisante de la chemise (2) sur laquelle est fixée l'extrémité supérieure de la membrane. Une tige de guidage (7) dans l'axe de chaque ressort, fixée à la couronne (3) de la chemise coulissante (2) peut glisser à frottement doux dans les trous cylindriques pratiqués dans le corps inférieur (5) de l'appareil ; elle assure le maintient de l'alignement des spires des ressorts dans toutes les positions de leur extension. Le reste de l'appareil est semblable aux parties équivalentes des obturateurs décrits par les figures 9 et 10.

Dans une première option (Figure 11), l'appareil ne comporte que la fonction "obturateur". Il est alors associé à un anneau impulseur du type de ceux décrits plus haut. Dans une deuxième option (Figure 12, associée à la partie gauche de la 5 figure 11), l'appareil est à la fois obturateur interne et impulseur. Il peut donc être employé seul pour assurer ces deux fonctions.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1)-Dispositif de production assistée de pétroles lourds à très haute viscosité, dont le mécanisme est constitué par un système d'extraction (figure 1.2) comprenant, intégrés au tube de production, des éléments dont le rôle est de transmettre à l'effluent du puits l'énergie nécessaire à son ascension jusqu'à la surface. Le système est spécialement conçu pour s'affranchir des limitations et problèmes que constitue le fait qu'un puits en production ne présente habituellement qu'une seule voie (espace annulaire) d'injection de fluide de la surface vers le fond. Dans le but de se soustraire à cette contrainte limitative, les conduites, désignées globalement ci-après lignes de service, sont disposées parallèlement au tube de production dans l'espace annulaire compris entre celui-ci et le tube de soutènement (cuvelage) du puits. Plusieurs étages indépendants, destinés à l'impulsion du flux provenant du gisement, sont disposés dans le puits le long du tube de production (6). Chaque étage possède son jeu de lignes de service et se compose essentiellement d'un anneau impulseur (2) et d'un obturateur interne (9). Chacun des anneaux impulseurs reçoit séparément de la surface par un conduit souple latéral (3), un liquide sous haute pression (fluide impulseur) générant à l'intérieur du tube de production (6) un jet annulaire à grande vitesse dirigé vers le haut. Par suite de la forme convergente de la section intérieure des éléments impulseurs, un effet venturi est généré, entraînant la masse visqueuse provenant du puits. En addition à l'effet hydraulique, l'inclusion dans le fluide impulseur de produits tensio-actifs, et la possibilité de chauffer ce fluide en surface (de 50 à 80 °C), contribuent à fluidifier l'effluent, facilitant ainsi son déplacement vers la surface par diminution des frictions à l'intérieur du tube d'extraction. Sous chaque anneau impulseur est connecté un obturateur interne commandé hydrauliquement depuis la surface grâce à des lignes aller-retour (11) et (12) qui font partie de l'ensemble des lignes de service. En surface, outre les équipements habituels des têtes de puits, un système spécial permet la descente (et remontée) des lignes de service dans le puits, fournissant en même temps le contrôle fonctionnel permanent des appareils auxquels ces lignes sont liées. Les éléments de base de cet ensemble sont constitués d'un treuil enrouleur / dérouleur (13) associé à un bras portant une poulie (15) de positionnement. A chaque étage d'impulsion localisé le long du tube de production, correspond, en surface, un ensemble enrouleur / dérouleur disposé radialement autour de l'axe du puits, au niveau de la sous structure du derrick. Au cours de la descente dans le puits, des volets amovibles en acier sont fixés autour des lignes de services pour en assurer la protection contre les frottementsoccasionnés par les manoeuvres, au cours de la descente ou de la remontée (figures 1.3 et 1.4) .

2)-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation, pour chaque étage d'impulsion, d'un modèle spécial d'obturateur interne (figures 8 , 8.1 et 8.2 ; planches 13, 14 et 15 respectivement).

3)-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation, pour chaque étage d'impulsion, de l'un des anneaux impulseurs (figures 3 et 6 ; planches 7 et 11 respectivement), associé à l'un des modèles spéciaux d'obturateur à membrane élastique (figures 9 , 10 et 11 ; planches 16, 17 et 18 respectivement).

4)-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par l'utilisation, pour chaque étage d'impulsion, de l'un des éléments impulseurs combinant les fonctions anneaux impulseur et obturateur interne (planche 16 / figure 9, planche 17 / figure 10, ou planche 19 / figure 12). Dans ce cas il n'est pas utilisé d'anneau impulseur séparé.

5)-Dispositif selon les revendications 1, 2, 3 et 4 caractérisé par l'adjonction de capteurs (pression, température) au niveau de l'un ou de tous les éléments impulseurs composant le système, le signal de chacun de ces capteurs étant transmis à la surface par fil conducteur isolé, disposé le long du tube de production.

6)-Dispositif selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le pilotage informatique de l'ensemble par ordinateur, avec contrôle, ajustement et optimisation en temps réel des divers paramètres fonctionnels du système.