FR3126139A1 - Dispositif d’acquisition et communication de données entre colonnes de puits de pétrole ou de gaz - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un composant tubulaire 1 de conduite de puits comprenant une antenne d’émission 2, une première antenne de lecture 3 espacée axialement de l’antenne d’émission 2 par une distance D, une électronique d’excitation 4 reliée à l’antenne d’émission 2 et agencée pour émettre un champ électromagnétique E ayant une première caractéristique électromagnétique , une électronique de lecture 11 reliée à la première antenne de lecture 3 et agencée pour détecter des variations temporelles et intentionnelles du champ électromagnétique selon ladite première caractéristique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne les puits de pétrole et/ou de gaz, de stockage de CO2et plus particulièrement un dispositif d’acquisition et de transmission de données dans les puits, et pouvant concerner une garniture de forage, une colonne de tube de cuvelage ou de tubage ou encore une colonne de tube de production.
Arrière-plan technologique
Un puits de pétrole ou gaz comprend généralement une pluralité de colonnes tubulaires. Il en comprend au moins deux, une colonne de cuvelage (en anglais « casing string ») et une colonne d’extraction (en anglais « tubing string»). Une structure de puits comprend plus souvent deux colonnes de cuvelage ou plus et une colonne d’extraction. Les espaces entre deux colonnes tubulaires adjacentes ou entre la colonne tubulaire de plus grand diamètre d’un puits et la formation rocheuse sont appelés espaces annulaires. Ces espaces annulaires peuvent être au moins partiellement remplis de ciment ou de fluides de remplissage et maintien des parois. Il est utile de surveiller les paramètres physiques ou chimiques dans ces espaces, tels que la pression et la température, le pH, la concentration en sulfure de dihydrogène, la concentration en dioxyde de carbone, en chlorures ou en eau de manière à détecter des événements anormaux dans le puits, comme une fuite, une remontée indésirable de fluide ou de gaz ou l’apparition de conditions d’emploi non prévues lors de la construction.
Les tubes servant à la construction des puits de pétrole ou gaz sont généralement en acier, et comprennent des tubes de grande longueur, c'est-à-dire de longueur supérieure à 6 mètres et des tubes de plus petite longueur appelés manchons connectant les tubes de grande longueur entre eux. Les connexions filetées correspondantes sont appelées filetées manchonnées (ou en anglais threaded & coupled – T&C). Il existe également des tubes de grande longueur connectés directement les uns aux autres via des connexions appelées intégrales (ou en anglais integrals) où parties femelles et mâles sont réalisées à même le tube.
Les colonnes tubulaires sont destinées à être utilisées sur plusieurs années dans un puits de pétrole ou gaz. La tenue au vieillissement est étudiée de manière approfondie selon la nuance d’acier utilisée, les caractéristiques des tubes et de leurs connexions, et également des conditions d’environnement et d’utilisation des équipements. Il existe un besoin pour surveiller l’évolution des conditions d’environnement et d’utilisation dans le puits.
On connaît des dispositifs de surveillance utilisant des câbles installés sur les tubes, mais ces solutions sont difficiles à installer, en particulier pour les colonnes de cuvelage.
On connaît par US2018058208 un dispositif de transmission de données le long d’une colonne de forage et utilisant des ondes acoustiques transmises dans la paroi du tube.
Ce dispositif ne permet pas d’établir une transmission de données entre des colonnes d’un même puits, et ne permet pas de surveiller différentes espaces annulaires d’un puits.
Ces dispositifs connus ne permettent pas de surveiller les différents espaces annulaires d’un puits.
Les dispositifs connus ne permettent pas de surveiller les conditions dans le puits à différentes profondeurs et pour différents espaces annulaires du puits. Il existe un besoin pour avoir un dispositif qui permet à un opérateur de surveiller des paramètres relatifs aux conditions d’opération des équipements dans différents espaces annulaires et que ce dispositif permette la récupération des données relatives aux conditions dans différents espaces annulaires sans opération lourde de démontage ou sans qu’il soit nécessaire d’installer des équipements complexes en tête de puits ou en fond de puits. Dans l’état de la technique, il est connu des dispositifs de raccordement destinés à être utilisés dans des puits de gaz ou de pétrole et comportant un premier élément tubulaire, un deuxième élément tubulaire et un manchon d’accouplement pour accoupler de manière étanche le premier et le deuxième élément tubulaire l’un à l’autre. Chacun des éléments tubulaires comporte une portion mâle filetée qui est vissée à l’intérieure d’une portion femelle filetée du manchon d’accouplement.
Résumé
Une idée à la base de l’invention est de proposer un dispositif de transmission d’énergie ou de données qui permet d’établir une communication avec une dépense énergétique plus faible pour un élément du dispositif de transmission.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un composant tubulaire de conduite de puits comprenant une antenne d’émission, une première antenne de lecture espacée axialement de l’antenne d’émission par une distance D, une électronique d’excitation reliée à l’antenne d’émission et agencée pour générer par l’antenne d’émission un champ électromagnétique ayant une première caractéristique électromagnétique, une électronique de lecture reliée à la première antenne de lecture et agencée pour détecter des variations temporelles et intentionnelles du champ électromagnétique selon ladite première caractéristique. Ainsi, il est possible de mettre en place une communication entre le composant tubulaire et un élément extérieur, communication basée sur des perturbations intentionnelles du champ magnétique émis par l’antenne d’émission, les perturbations pouvant être mesurées par la première antenne de lecture au cours du temps. L’électronique de mesure est agencée pour reconstruire un message de données à partir des variations temporelles de champ magnétique selon la première caractéristique considérée, lesdites variations étant induites par les perturbations.
Avantageusement, la première caractéristique peut être choisie parmi : la fréquence ou longueur d’onde, l’amplitude, une force au niveau de la première bobine de lecture ou d’une autre bobine de lecture telle qu’une seconde bobine de lecture, une intensité, une modulation en phase en intensité ou en fréquence. Ces grandeurs caractéristiques permettent de mesurer des perturbations du champ magnétique. L’électronique de mesure peut être agencée pour séparer les perturbations intentionnelles du champ électromagnétique généré par l’antenne d’émission qui sont induites par un élément extérieur communiquant avec le composant tubulaire, et les perturbations non intentionnelles induites par l’environnement, ces dernières pouvant générer des perturbations dans des valeurs non attendues, par exemple des valeurs qui ne sont pas dans la plage de fréquences attendues ou des valeurs qui ne seraient pas dans la plage d’amplitudes attendues, c’est-à-dire des plages de valeurs pour la première caractéristique considérée qui ne sont pas attendues.
Selon un aspect , le champs magnétique E a une fréquence comprise entre 10 kHz et 15 KHz, plage de fréquences convenant aux portées de champs magnétiques recherchées dans le cadre de la présente application de l’invention.
Selon un aspect, lequel la distance D séparant l’antenne d’émission 2 et la première antenne de lecture est au moins égale à la moitié d’une longueur axiale de la bobine d’émission. Cette relation permet d’assurer une portée minimale permettant d’introduire un élément extérieur au composant tubulaire qui génère des perturbations intentionnelles du champs magnétique E.
L’élément extérieur pouvant établir une communication par perturbation du champ magnétique émis par le premier composant peut être un deuxième composant tubulaire appartenant à une autre colonne d’éléments tubulaires et comprenant une antenne de transmission. Avantageusement encore, la distance D séparant l’antenne d’émission de l’antenne de lecture peut être telle que la distance D est plus grande qu’une distance séparant l’antenne d’émission et une antenne de transmission du deuxième composant tubulaire sur l’autre colonne. Si l’antenne de lecture est trop proche de l’antenne d’émission, l’antenne de réception risque de capter le champ électromagnétique non perturbé par un élément extérieur. Si l’antenne de lecture est trop éloignée de l’antenne d’émission, alors l’antenne de lecture risque de ne plus capter le champ électromagnétique.
Selon un mode de réalisation, l’antenne d’émission et la première antenne de lecture peuvent être excentrées par rapport à l’axe du composant tubulaire. De manière surprenante, les solutions de communication de l’art antérieur entre des composants de puits situés sensiblement à la même profondeur divulguent uniquement des antennes sous la forme de bobinages enroulés autour des composants tubulaires, et donc des bobinages centrés sur le composant tubulaire. Avoir des antennes d’émission et de lecture excentrées permettent une intégration facilitée sur le composant tubulaire, et permet d’intégrer plus facilement le composant tubulaire à un système de communication de colonne de tubes en comparaison avec les systèmes de l’état antérieur.
Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire peut comprendre une rainure axiale dans une surface latérale extérieure ; l’antenne d’émission et l’antenne de lecture peuvent être situées au moins partiellement dans ladite rainure axiale. Ainsi, l’ensemble des antennes d’émission et de lecture peuvent être intégrées de manière excentrée par rapport à l’axe du composant tubulaire et protégées de dommages pouvant être causés par l’environnement.
Selon un mode de réalisation, l’antenne d’émission et l’antenne de lecture peuvent être colinéaires. L’antenne d’émission et l’antenne de lecture, qui ont la forme de bobinages ou enroulement de fils, ont donc chacune un axe respectif et ces axes sont sensiblement colinéaires. Ceci permet de faciliter l’intégration des antennes et d’augmenter la portée du champ magnétique relativement aux antennes d’émission et de lecture.
Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire peut comprendre une deuxième antenne de lecture. Avantageusement, la deuxième antenne de lecture peut être à une deuxième distance D’ de la bobine d’émission. Avantageusement, cette deuxième antenne de lecture peut être colinéaire à l’antenne d’émission et à la première antenne de lecture. Avantageusement, la deuxième antenne de lecture peut être située du côté opposé à la première antenne de lecture par rapport à la bobine d’émission. Ceci permet d’augmenter la portée d’une communication avec un élément extérieur, du point de vue axial, et ceci permet d’admettre un décalage de profondeur entre le composant tubulaire et le deuxième composant tubulaire d’une autre colonne de tubes du puits ou d’un élément communiquant dans la formation rocheuse, afin d’établir une communication entre ces éléments.
Selon un mode de réalisation, l’antenne d’émission, la première antenne de lecture, la deuxième antenne de lecture si elle est présente, l’électronique d’excitation et l’électronique de lecture peuvent être situées dans un tube de protection monté au moins partiellement dans la rainure axiale. Préférentiellement, le tube de protection peut être en inconel. Ainsi, l’intégration des éléments sur le composant tubulaire est facilitée en plus de la protection apportée par le tube de protection. L’intégration des éléments dans une colonne communicante est également facilitée.
Alternativement, et l’antenne d’émission et l’antenne de lecture peuvent être situées dans un tube de protection situé sur la surface extérieure du composant tubulaire, c’est-à-dire aussi en dehors d’une rainure axiale. Ceci peut permettre de s’affranchir de l’emploi d’un matériau amagnétique pour le composant tubulaire sans atténuer la portée de communication du dispositif.
Selon un mode de réalisation, le tube de protection peut être maintenu en place par des brides. Avantageusement, les brides sont montées dans des évidements dans la surface extérieure du composant et agencées pour maintenir le tube de protection sur le composant tubulaire. Ceci permet de limiter l’encombrement extérieur du composant tubulaire.
Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire peut comprendre au moins un connecteur agencé(s) pour relier l’électronique d’excitation et/ou électronique de lecture à un système de télémétrie de puits. Les connecteurs peuvent comprendre une électronique de connexion agencée pour établir une communication bidirectionnelle entre un système de télémétrie de puits et les électroniques d‘excitation et de lecture. Le composant tubulaire visant à établir une communication avec un élément extérieur, par exemple comprenant des capteurs, le composant tubulaire selon l’invention peut récupérer les données mesurées et les transmettre au système de télémétrie de puits.
Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire peut être un élément de tubelage. Ainsi, le composant tubulaire selon l’invention peut être intégré à une colonne de tubelage communicante, ou une ligne de communication.
Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire peut être un élément de cuvelage. Ainsi, le composant tubulaire selon l’invention peut être intégré à une colonne de cuvelage.
L’invention porte aussi sur un dispositif de transmission de données comprenant un premier composant tubulaire selon l’un des modes de réalisation précédents, et comprenant un deuxième composant tubulaire comprenant une électronique de transmission reliée à une antenne de transmission, ladite antenne de transmission étant positionnée de manière à être en interaction électromagnétique avec l’antenne d’émission, l’électronique de transmission et l’antenne de transmission étant agencées pour modifier intentionnellement et temporellement la première caractéristique électromagnétique du champ électromagnétique émis par l’antenne d’excitation créant ou générant ainsi un message de données transmis du deuxième composant tubulaire vers le premier composant tubulaire.
Selon un mode de réalisation du dispositif, le premier composant tubulaire est sur une première colonne tubulaire et le deuxième composant tubulaire est sur une deuxième colonne tubulaire. La première colonne tubulaire peut être une colonne de tubelage et la deuxième colonne tubulaire une colonne de cuvelage ou la première colonne tubulaire et la deuxième colonne tubulaire peuvent être des colonnes de cuvelage.
L’invention porte aussi sur une méthode de transmission de données et/ou d'énergie entre colonnes de tubes d'un puits de pétrole ou de géothermie comprenant un dispositif de transmission selon un mode de réalisation décrit ci-avant, comprenant les étapes de :
- émettre par l’antenne d’excitation un champ électromagnétique ayant une première caractéristique électromagnétique,
- modifier temporellement et intentionnellement le champ magnétique avec la première caractéristique en un champ électromagnétique avec une première caractéristique modifiée par l’action de l’électronique de transmission et l’antenne de transmission, l’électronique de transmission modifiant temporellement l’impédance du circuit électrique de l’antenne de transmission 22
- recevoir par l’antenne de lecture le champ magnétique à la première caractéristique modifiée,
- Reconstruire un message de données, par l’électronique de mesure, à partir des variations temporelles de la première caractéristique et de la première caractéristique modifiée du champ magnétique.
- émettre par l’antenne d’excitation un champ électromagnétique ayant une première caractéristique électromagnétique,
- modifier temporellement et intentionnellement le champ magnétique avec la première caractéristique en un champ électromagnétique avec une première caractéristique modifiée par l’action de l’électronique de transmission et l’antenne de transmission, l’électronique de transmission modifiant temporellement l’impédance du circuit électrique de l’antenne de transmission 22
- recevoir par l’antenne de lecture le champ magnétique à la première caractéristique modifiée,
- Reconstruire un message de données, par l’électronique de mesure, à partir des variations temporelles de la première caractéristique et de la première caractéristique modifiée du champ magnétique.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
Claims (15)
- Composant tubulaire 1 de conduite de puits comprenant une antenne d’émission 2, une première antenne de lecture 3 espacée axialement de l’antenne d’émission 2 par une distance D, une électronique d’excitation 4 reliée à l’antenne d’émission 2 et agencée pour générer par l’antenne d’émission 2 un champ électromagnétique E ayant une première caractéristique, une électronique de lecture 11 reliée à la première antenne de lecture 3 et agencée pour détecter au cours du temps des variations intentionnelles du champ électromagnétique E selon ladite première caractéristique.
- Composant tubulaire selon la revendication 1, dans lequel la première caractéristique est choisie parmi : une fréquence, une force au niveau de la bobine de lecture 3, une intensité, une modulation en phase en intensité ou en fréquence.
- Composant tubulaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le champ électromagnétique E a une fréquence comprise entre 10 kHz et 15 KHz.
- Composant tubulaire selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la distance D séparant l’antenne d’émission 2 et la première antenne de lecture est au moins égale à la moitié d’une longueur axiale de la bobine d’émission.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’antenne d’émission 2 et la première antenne de lecture 3 sont excentrées par rapport à l’axe du composant tubulaire.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant une rainure axiale 7 dans une surface latérale extérieure 13, et l’antenne d’émission 2 et la première antenne de lecture 3 sont situées au moins partiellement dans la rainure axiale 7.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’antenne d’émission 2 et la première antenne de lecture 3 sont colinéaires.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une deuxième antenne de lecture 5, colinéaire avec la première antenne de lecture 3.
- Composant tubulaire selon les revendications 6, 7 et 8 prises en combinaison, dans lequel l’antenne d’émission 2, la première antenne de lecture 3, la deuxième antenne de lecture 7, l’électronique d’excitation 4 et l’électronique de lecture 11 sont situées dans un tube de protection 14 monté dans la rainure axiale 7.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant au moins deux brides 8 dans des évidements 9 de la surface extérieure 13 agencés pour maintenir le tube de protection 14 sur le composant tubulaire 1.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant au moins un connecteur 6a, 6b agencé(s) pour relier l’électronique d’excitation et/ou électronique de lecture à un système de télémétrie de puits.
- Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 11, pour lequel le composant tubulaire 1 est un élément de tubelage ou un élément de cuvelage.
- Dispositif de transmission de données comprenant un premier composant tubulaire selon l’une des revendications 1 à 12 et comprenant un deuxième composant tubulaire 20 comprenant une électronique de transmission 21 reliée à une antenne de transmission 22, l’antenne de transmission 22 étant positionnée de manière à être en interaction électromagnétique avec l’antenne d’émission 2, l’électronique de transmission 21 et l’antenne de transmission 22 étant agencées pour modifier intentionnellement et temporellement la première caractéristique électromagnétique du champ électromagnétique E émis par l’antenne d’excitation 22, et générant ainsi un message de données transmis du deuxième composant tubulaire 20 vers le premier composant tubulaire 1.
- Dispositif de transmission de données selon la revendication 13, dans lequel le premier composant tubulaire 1 est sur une première colonne tubulaire et le deuxième composant tubulaire 20 est sur une deuxième colonne tubulaire.
- Méthode de transmission de données et/ou d'énergie entre colonnes de tubes d'un puits de pétrole ou de géothermie comprenant un dispositif de transmission selon la revendication 13 ou la revendication 14, comprenant les étapes de :
- émettre par l’antenne d’excitation 20 un champ électromagnétique E ayant une première caractéristique électromagnétique,
- modifier temporellement et intentionnellement le champ magnétique E avec la première caractéristique en un champ électromagnétique E’ avec une première caractéristique modifiée par l’action de l’électronique de transmission 21 et l’antenne de transmission 22, l’électronique de transmission 21 modifiant temporellement l’impédance du circuit électrique de l’antenne de transmission 22
- recevoir par la première antenne de lecture 3 le champ magnétique E’ à la première caractéristique modifiée, .
- Reconstruire un message de données, par l’électronique de mesure 11, à partir des variations temporelles de la première caractéristique et de la première caractéristique modifiée du champ magnétique E, E’.
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