FR2978527A1

FR2978527A1 - Generation de vapeur

Info

Publication number: FR2978527A1
Application number: FR1156726A
Authority: FR
Inventors: Bernard Corre
Original assignee: Total SE
Current assignee: TotalEnergies SE
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-02-01
Also published as: RU2014106326A; AP2014007446A0; CN103717968A; EP2737248A1; RU2610084C2; BR112014001532A2; US20140166301A1; WO2013014023A1; CA2842340A1; AU2012289013A1

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif de génération de vapeur (10) et à un procédé de génération de vapeur à l'aide du dispositif. Le dispositif comprend un conduit (12) de circulation de fluide contenant du matériau conducteur électrique et thermique, et au moins un câble (14) inducteur en matériau conducteur électrique enroulé autour du conduit. L'invention permet une génération de vapeur améliorée.

Description

GENERATION DE VAPEUR

La présente invention concerne la génération de vapeur, et plus particulièrement un dispositif et un procédé de génération de vapeur.

La génération de vapeur trouve des applications multiples, notamment dans le cadre de la production d'hydrocarbures. Par exemple, la production d'huiles visqueuses, lourdes ou non lourdes, peut nécessiter une fluidification des huiles (i.e. une réduction de la viscosité des huiles) préalablement à leur extraction. Cette fluidification est d'autant plus utile pour les huiles lourdes contenues dans des sables, par exemple des sables bitumineux (e.g. comme ceux du Canada ou du Venezuela). Or, la réduction de viscosité d'une huile s'obtient généralement par apport d'énergie thermique. Pour cela, on procède souvent à une injection de vapeur dans le réservoir. Diverses techniques d'injection de vapeur sont utilisées à l'heure actuelle (e.g. CSS, steam drive, ou SAGD). La génération de vapeur se fait en général à la surface à l'aide d'une usine dédiée ou de générateurs de différents types. La vapeur est ensuite acheminée dans le réservoir grâce à un conduit en partie en surface. De tels générateurs de vapeur présentent donc une emprise en surface (« foot print ») rendant complexe la mise en place d'une installation de production. Il est par exemple difficilement concevable de rajouter des générateurs de vapeur sur une plate-forme exigüe en offshore. En outre, la génération de vapeur en surface implique des pertes thermiques dans les parties du conduit en surface et dans le puits. Les pertes thermiques dans le puits peuvent réchauffer les terrains adjacents au puits, et non uniquement le réservoir (qui est généralement en fonds de puits). Ces pertes thermiques sont particulièrement problématiques si le puits traverse du permafrost.

Ces pertes thermiques réduisent la qualité de la vapeur. Ces pertes thermiques obligent en général à réduire la profondeur des cibles. Le générateur de surface est généralement un générateur à énergie fossile (gaz, ou recyclage d'une partie de l'huile produite). Les pertes mentionnées ci-dessus diminuent le rendement des installations d'injection de vapeur.

Le document WO 1988/000276 Al divulgue un générateur de chaleur pour puits de pétrole comprenant une chambre allongée dans laquelle se trouve une paire d'électrodes non concentriques submergées au moins partiellement dans de l'eau. En opération, les électrodes sont fournies en énergie et chauffent l'eau. Toutefois, le R:\32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc générateur de ce document n'est pas entièrement satisfaisant à l'égard des inconvénients précités. Par ailleurs, certains documents, comme le document EP 0 387 125 et le document GB 427838, enseignent le chauffage d'un liquide passant dans un conduit qui forme le circuit secondaire d'un transformateur électrique. Ces transformateurs fonctionnent à l'aide d'un noyau ferromagnétique fermé. Par exemple, le circuit primaire (alimenté en électricité) s'enroule autour d'une première branche et le circuit secondaire (formé par le conduit) s'enroule autour d'une branche parallèle à la première branche. Les dispositifs de ces documents ont par conséquent deux des trois dimensions (hauteur largeur et longueur) trop importantes pour s'insérer dans un puits pour un débit de vapeur à produire donné. Ils ne conviennent donc pas idéalement à une application pétrolière. Le but de la présente invention est de fournir un dispositif et un procédé de génération de vapeur améliorés, palliant au moins partiellement les inconvénients précités. A cette fin, la présente invention propose un dispositif de génération de vapeur. Le dispositif comprend un conduit de circulation de fluide contenant du matériau conducteur électrique et thermique, et au moins un câble inducteur en matériau conducteur électrique enroulé autour du conduit.

L'invention propose également un procédé de génération de vapeur à l'aide du dispositif de génération de vapeur. Le procédé comprend la circulation d'eau dans le conduit, et, simultanément, l'alimentation électrique du câble inducteur. L'invention propose également un procédé de production d'hydrocarbures, dans lequel le procédé comprend la génération de vapeur selon le procédé de génération de vapeur. L'invention propose également une installation de production d'hydrocarbures, dans laquelle l'installation comprend le dispositif de génération de vapeur. Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le conduit possède au moins une excroissance sur une paroi interne ; - le conduit est cylindrique ; - l'excroissance est une rampe hélicoïdale le long du conduit ; - la rampe est continue ou interrompue ; R:\32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc - le dispositif comprend en outre une coque en matériau ferromagnétique autour du câble inducteur ; - le câble inducteur forme un solénoïde ; - le câble inducteur est creux ; - le conduit présente un diamètre inférieur à 20 cm, de préférence inférieur à 15 cm ; - le conduit présente une longueur inférieure à 30 m, de préférence 20 m, et/ou supérieure à 5 m, de préférence 10 m ; - le dispositif comprend en outre une source électrique alimentant le câble ; - la source électrique délivre un courant d'une intensité supérieure à 500 A, de préférence supérieure à 900 A ; - le dispositif comprend plusieurs conduits de circulation d'eau reliés entre eux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés. La figure 1 représente un exemple de procédé de génération de vapeur ; Les figures 2 et 3 représentent un exemple de dispositif de génération de vapeur ; La figure 4 représente un exemple de suscepteur ; et La figure 5 représente un exemple de lignes de champ magnétique dans un dispositif de génération de vapeur. On propose un dispositif de génération de vapeur. Le dispositif comprend un conduit de circulation de fluide contenant du matériau conducteur électrique et thermique, et au moins un câble inducteur (un ou plusieurs câbles) en matériau conducteur électrique enroulé autour du conduit. Un tel dispositif améliore la génération de vapeur. Le conduit de circulation d'eau permet la circulation de l'eau depuis une entrée du conduit vers une sortie du conduit. Le conduit contient du matériau conducteur, par exemple de l'acier. Il peut être intégralement ou partiellement en ce matériau conducteur électrique (i.e. apte à conduire l'électricité) et thermique (i.e. apte à conduire efficacement la chaleur). Le câble inducteur est en matériau conducteur électrique et est donc un câble électrique, par exemple en cuivre. Le câble inducteur peut présenter toute forme. Le câble inducteur peut par exemple présenter une section R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc carré. La section du câble peut être supérieure à 9 mm2, de préférence 36 mm2, et/ou inférieure à 144 mm2, de préférence 64 mm2. Le câble inducteur s'enroulant, il présente des spires. Le câble inducteur peut donc induire un champ magnétique élevé à l'intérieur de ces spires si le câble inducteur est alimenté électriquement. Le matériau conducteur du conduit permet de générer des courants de Foucault s'il est soumis à un tel champ magnétique. Ainsi, soumis à un tel champ magnétique, les courants de Foucault chauffent le conduit par effet Joule et transfèrent de l'énergie thermique à un éventuel fluide présent dans le conduit, pour en faire éventuellement de la vapeur. Le câble inducteur s'enroule autour du conduit et permet donc l'apparition d'un tel champ magnétique au niveau où le câble inducteur s'enroule autour du conduit. Un avantage d'une telle disposition est également la longueur du conduit utile à un tel chauffage. En effet, le chauffage survient sur toute la longueur sur laquelle le câble inducteur s'enroule autour du conduit et se fait progressivement pendant que le fluide circule dans le conduit. Un tel dispositif permet un bon rendement, et produit donc une vapeur d'eau (si le fluide est de l'eau) de grande qualité. La qualité de vapeur est le ratio entre la quantité d'eau sous forme de vapeur saturée par la quantité d'eau totale (i.e. liquide+vapeur saturée). En outre, la forme longitudinale du dispositif le rend particulièrement adapté pour une application pétrolière. En effet, le dispositif s'insère facilement dans un puits. Un tel dispositif permet également d'avoir un flux rectiligne, ainsi qu'une meilleure conservation de la pression d'entrée. Le câble inducteur peut former un solénoïde. Notamment, le câble inducteur peut former une bobine de longueur au moins deux fois plus grande que le diamètre de la bobine. Cela assure un champ magnétique puissant au niveau du conduit, et donc un bon échauffement par effet Joule. De préférence, le câble inducteur s'enroule autour du conduit sur une longueur supérieure à 50 fois le diamètre du conduit, de préférence supérieure à 200 fois le diamètre du conduit, ce qui assure un échauffement sur une grande longueur du conduit. Le dispositif peut comprendre une coque en matériau ferromagnétique autour du câble inducteur. La coque canalise le champ magnétique de manière à optimiser le chauffage. En outre, si le dispositif est inséré dans un « casing » (également connu comme "cuvelage", i.e. un tube métallique cimenté à la paroi du puits), la coque protège le casing du flux magnétique. Le matériau ferromagnétique de la coque peut R:\32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc être du fer doux ou tout autre matériau présentant des caractéristiques d'un matériau ferromagnétique doux. Le conduit peut posséder au moins une excroissance sur une paroi interne. On désigne par la suite par «suscepteur » cette excroissance, ou l'ensemble des excroissances le cas échéant. Le suscepteur peut être une partie du conduit en saillie vers l'intérieur du conduit. Le suscepteur augmente la surface interne du conduit et génère des points chauds (qui peuvent aller au-delà de 300°C, par exemple de 350 à 400°C). Le suscepteur améliore donc le chauffage d'un fluide dans le conduit. Le suscepteur génère également des turbulences dans la circulation d'un tel fluide. Ces turbulences forment des courants qui homogénéisent le fluide et répartissent ainsi la chaleur de manière à améliorer le chauffage. Le suscepteur entraîne également des pertes de charge (i.e. des pertes locales de pression) qui favorisent la génération de vapeur. Différentes formes de suscepteur peuvent être réalisées. Pour un meilleur chauffage, le suscepteur peut former une rampe hélicoïdale le long du conduit qui peut être cylindrique. La rampe peut être continue ou interrompue. Dans le cas où la rampe est interrompue, le suscepteur comprend donc plusieurs excroissances disposées sur une ligne hélicoïdale virtuellement tracée à l'intérieur du conduit. Le câble inducteur peut être creux. Dans ce cas, le câble inducteur comprend en son centre un passage vide. Ce passage permet la circulation d'un liquide de refroidissement à l'intérieur du câble inducteur, par exemple de l'eau, ce qui permet de prévenir l'endommagement du câble inducteur. Un tel refroidissement du câble inducteur peut également servir à préchauffer l'eau à vaporiser. Par exemple, le passage dans le câble inducteur peut être connecté au conduit en amont du conduit.

Ainsi, dans tout procédé de génération de vapeur avec le dispositif, l'eau peut circuler dans le câble inducteur avant d'arriver déjà préchauffée dans le conduit où l'eau peut alors s'évaporer plus facilement. Le conduit peut présenter un diamètre (extérieur) inférieur à 20 cm, de préférence inférieur à 15 cm. Les casings des puits de forage ont un diamètre d'approximativement 30 cm. Le diamètre intérieur du conduit peut quant à lui être inférieur à 16 cm, de préférence inférieur à 10 cm. Ainsi, le dimensionnement du conduit permet de prévoir de la place pour l'enroulement du câble inducteur autour du R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc conduit. Le dispositif est par conséquent bien adapté aux diamètres de puits de forage pratiqués habituellement, i.e. entre 23 cm et 25 cm. Le conduit peut présenter une longueur inférieure à 13 m, de préférence 10 m, et/ou supérieure à 5 m, de préférence 8 m, de préférence égale au moins approximativement à 9 m. Ces dimensionnements présentent un bon compromis entre facilité d'installation et longueur utile exploitée. En effet, plus le conduit est long, plus l'échauffement peut se faire sur une grande longueur. Cependant, on limite la longueur pour une meilleure adaptation aux rigs de forage (i.e. installations de forage) habituels.

Le dispositif peut comprendre en outre une source électrique alimentant le câble inducteur. La source électrique peut être à la surface et transmettre de l'énergie électrique au(x) câble(s) inducteur s'enroulant autour du ou des conduits (au niveau du réservoir dans le puits) via un ou plusieurs câbles de transmission. Un tel générateur peut ne pas être basé sur les énergies fossiles. Il peut ne pas générer des gaz à effets de serre, en tous les cas de manière trop localisée. Un tel générateur est donc plus propre, et présente un bon rendement car l'énergie électrique est facilement transportable aux basses fréquences, avec de moindres pertes pendant la transmission. Un tel dispositif améliore le rendement car il n'y a plus de pertes thermiques. En effet, la vapeur est générée directement dans le puits à une distance plus près de la formation que de la tête de puits et non acheminée depuis la surface. L'alimentation électrique du câble peut être un courant supérieur à 500 A, de préférence supérieur à 900 A. Pour une moindre perte avec de telles intensités, le dispositif comprend de préférence plusieurs câbles de transmission. La source électrique est alors adaptée à fournir la tension adéquate. La tension adéquate peut être comprise entre 5 et 10 kV. Egalement, le conduit peut constituer une enceinte partiellement fermée, la pression à l'intérieur du tube est peu influencée par la pression de la formation. Cela permet de contrôler la pression à laquelle le fluide est soumis au moment où il est chauffé. Ainsi, on peut connaître facilement les caractéristiques de la vapeur générée (si le fluide est de l'eau) et mieux contrôler la génération de vapeur dans le temps. L'invention est dimensionnée en fonction des caractéristiques de la formation, notamment la pression de vapeur délivrée par le système selon l'invention est supérieure à la pression de la formation à exploiter. R:\32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc Le dispositif peut comprendre plusieurs conduits de circulation d'eau reliés entre eux. Les conduits peuvent être reliés en communication de fluide à l'aide de connexions mécaniques pour une circulation d'eau au sein de tous les conduits à la suite. Les câbles s'enroulant autour des conduits sont quant à eux reliés par des connexions électriques. On peut par exemple relier entre eux trois conduits. Le dispositif peut être compris dans une installation de production d'hydrocarbures. Le dispositif peut en particulier être situé dans le puits, pour que la vapeur soit générée dans le puits directement au niveau du réservoir. Une telle installation est donc compacte et permet l'exploitation de tous réservoirs à hydrocarbures fortement visqueux, grâce à la qualité de la vapeur générée, au contrôle des caractéristiques de la vapeur générée, et à la compacité de l'installation qui permet une exploitation notamment en offshore. L'installation de production peut comprendre un rig de forage. La mise en place du dispositif peut alors comprendre : - la disposition d'un conduit, avec enroulé autour de lui au moins un câble électrique, dans le rig, - la descente du conduit dans le puits, le haut du conduit restant accessible depuis le rig, - la disposition d'un nouveau conduit dans le rig, - l'assemblage du nouveau conduit, avec enroulé autour de lui au moins un câble électrique, avec le précédent conduit, incluant la connexion électrique du câble du nouveau conduit avec le câble du précédent conduit, les étapes ci-dessus étant répétées, par exemple jusqu'à ce que trois conduits soient reliés.

En référence à la FIG. 1, le dispositif peut être utilisé dans un procédé de génération de vapeur qui comprend la circulation (Si) d'eau dans le conduit, et, simultanément, l'alimentation (S2) électrique du câble. L'alimentation électrique du câble induit le champ magnétique, l'échauffement du matériau conducteur du conduit et le chauffage jusqu'à la vaporisation d'eau qui circule dans le conduit en même temps que l'alimentation électrique. Un tel dispositif permet donc une vaporisation de l'eau avec un bon rendement et une bonne qualité de la vapeur générée. R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc Comme mentionné ci-dessus, l'eau peut-être chauffée préalablement. Pour cela, le procédé peut comprendre la circulation préalable de l'eau dans le câble, pour le refroidir. Ce procédé peut être compris dans un procédé de production d'hydrocarbures.

La vapeur peut être générée directement au niveau du réservoir et elle peut donc être injectée directement dans le réservoir sans pertes de chaleur. Les hydrocarbures peuvent ensuite être extraits de manière facilitée, ce qui est particulièrement avantageux dans le cas d'huiles visqueuses ou lourdes. Dans un tel procédé, la vapeur peut être générée à un débit de 100 à 300 tonnes par jour, de préférence 200 tonnes par jour. Le procédé de production d'hydrocarubres peut se faire par H&P (de l'anglais «Huff & Puff», i.e. le procédé comprend l'injection cyclique de vapeur dans le réservoir) ou par Steam Drive (i.e. le procédé comprend le balayage continu du réservoir à la vapeur). Le même dispositif peut assurer ces différents modes d'injection. Le dispositif est donc polyvalent.

Des exemples du dispositif vont maintenant être décrits en référence aux figures 2 à 5. La figure 2 montre un exemple du dispositif de génération de vapeur 10 en coupe longitudinale. Sur la figure 2, le dispositif 10 est représenté avec son conduit 12 de circulation de fluide contenant du matériau conducteur électrique et thermique et le câble 14 inducteur en matériau conducteur électrique qui s'enroule autour du conduit 12. La figure 3 montre une tranche du dispositif 10 de la figure 2, transversalement par rapport à l'axe central longitudinal 22 du dispositif 10, et comprenant la partie 29 du conduit 12 autour de laquelle le câble 14 inducteur s'enroule. Comme on le voit sur les figures, l'eau 16 liquide peut pénétrer dans le conduit 12, y circuler, et en sortir sous forme de vapeur (contenant éventuellement du liquide en fonction de la qualité atteinte). En effet, le câble 14 est alimenté électriquement en tension par la source électrique 19 et chauffe le conduit 12 grâce au champ magnétique induit sur toute la longueur de l'enroulement. Dans cet exemple, le dispositif 10 comprend les câbles de transmission 24 qui acheminent de l'électricité jusqu'au câble 14, et le suscepteur 20 sur la paroi interne du conduit 12 (excroissances dirigées vers l'intérieur du conduit 12, donc vers l'axe 22). On obtient donc un bon rendement thermique. Cela a pour conséquence de vaporiser l'eau 16. On voit sur les figures que le dispositif 10 est compact et de forme longitudinale. En effet, la longueur R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc du dispositif 10 est au moins deux fois plus élevée que sa largeur. Ainsi, le dispositif 10, peu encombrant, est adapté à l'insertion dans un puits de forage. Par ailleurs, le dispositif peut comprendre plusieurs (trois) conduits reliés entre eux par des connexions, pour former une longueur 29 totale par exemple de 27 m autour de laquelle du câble 14 est enroulé, chaque conduit 12 autour duquel du câble 14 est enroulé présentant une longueur de 9 m. Le dispositif 10 est par ailleurs représenté lorsqu'il est installé à l'intérieur d'un puits. On voit notamment sur les figures le casing 23 du puits entouré de ciment 13. Au niveau du câble 14, le terrain géologique comprend des hydrocarbures et constitue ainsi un réservoir 25. Localiser les conduits 12 autour desquels un câble 14 s'enroule au niveau du réservoir permet ainsi d'éviter les pertes de chaleur. Ainsi, on ne chauffe pas inutilement la partie 26 du sous-sol plus proche de la surface 15 qui ne contient pas d'hydrocarbures. On voit aussi sur la figure la coque 27 qui protège le casing 23 de trop fortes températures. La figure 4 montre un suscepteur 50 en forme de rampe hélicoïdale dans le conduit 12 qui peut être utilisé dans le dispositif 10 des figures 2 et 3. La figure 4 montrant une section transversale du conduit 12, le suscepteur 50 prend la forme, dans le plan de la section, d'excroissances régulièrement écartées. Le suscepteur 50 peut être en matériau conducteur thermique et électrique et ainsi accroître la surface d'échange thermique avec le fluide, comme on le voit sur la figure.

La figure 5 montre de manière schématique un exemple de lignes de champ magnétique 40 dans un exemple de dispositif 10 de génération de vapeur. Les lignes de champ magnétique 40 ont été obtenues à l'aide d'un logiciel de calcul à éléments finis. Le dispositif est représenté partiellement en section longitudinale. Seule une moitié du dispositif est représentée. Le dispositif de cet exemple est selon la figure 2 ou 3 et comprend notamment la coque 27 autour du câble 14. On voit sur la figure que la coque 27 permet de concentrer le champ magnétique au niveau du conduit 12 et protège bien le casing 23 qui est peu exposé au champ magnétique. Ainsi, le dispositif 10 permet un bon échauffement par effet Joule du conduit 12 avec un moindre endommagement du casing 23.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de génération de vapeur (10), dans lequel le dispositif comprend : un conduit (12) de circulation de fluide contenant du matériau conducteur électrique et thermique, et au moins un câble (14) inducteur en matériau conducteur électrique enroulé autour du conduit.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le conduit possède au moins une excroissance (50) sur une paroi interne.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le conduit est cylindrique et l'excroissance est une rampe hélicoïdale le long du conduit.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la rampe est continue ou interrompue.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif 20 comprend en outre une coque (27) en matériau ferromagnétique autour du câble inducteur.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le câble inducteur forme un solénoïde.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le câble inducteur est creux.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le conduit présente 30 un diamètre inférieur à 20 cm, de préférence inférieur à 15 cm. R:A32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc 25
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le conduit présente une longueur inférieure à 30 m, de préférence 20 m, et/ou supérieure à 5 m, de préférence 10 m.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le dispositif comprend en outre une source électrique (19) alimentant le câble.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la source électrique délivre un courant d'une intensité supérieure à 500 A, de préférence supérieure à 900 A
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif comprend plusieurs conduits de circulation d'eau reliés entre eux.
13. Installation de production d'hydrocarbures, dans laquelle l'installation 15 comprend un dispositif de génération de vapeur selon l'une des revendications 1 à 12.
14. Procédé de génération de vapeur à l'aide du dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel le procédé comprend : la circulation (S l) d'eau dans le conduit, et, simultanément, 20 l'alimentation (S2) électrique du câble inducteur.
15. Procédé de production d'hydrocarbures, dans lequel le procédé comprend la génération de vapeur selon le procédé de la revendication 14. R:\32700\32763 SNP 359\32763--1 1 0722-texte.doc