OA10890A - Installation de pompage d'un effluent biphasique liquide/gaz - Google Patents
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Description
010890 1
INSTALLATION DE POMPAGE D'UN EFFLUENT BIPHASIQUELIQUIDE/GAZ
La présente invention se rapporte à une installationde pompage d'un effluent biphasique liquide/gaz et, plusparticulièrement à une telle installation destinée aupompage d'hydrocarbures provenant d'un puits pétrolier.
Dans certains puits pétroliers, l'écoulement natureldes hydrocarbures du fond à la surface s'avère insuffisantpour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceciest dû soit à la viscosité et du poids des effluents, soit àune trop faible pression naturelle au fond du puits, enregard des facteurs qui s'opposent à leur élévation vers lasurface. Afin de permettre la mise en production du puits àune échelle commerciale il convient d’utiliser un systèmed'élévation artificielle de l'effluent, ou systèmed'activation du puits. Par exemple, on peut monter une pompeà l'extrémité inférieure d'un tube de production situé dansle puits, ou on peut prévoir une installation d'injection degaz au fond du puits. Ce dernier type d'installation, plus communément appelée "gas lift", sert à alléger la colonned'hydrocarbures située dans le puits afin de faciliter saremontée vers la surface.
Une installation d'injection de gaz en fond de puitsest généralement fiable, mais présente l'inconvénient denécessiter, sur un chantier isolé, une source de gaz souspression, par exemple un compresseur et ses tuyauteriesassociées. L'utilisation d'une pompe, disposée à l'extrémitéinférieure d’un tubage par lequel remonte l'effluentbiphasique liquide/gaz à la surface, présente desinconvénients lorsque cet effluent renferme une proportionimportante de gaz. Les bulles contenues dans l'effluent sontcompressibles, une fraction de l'énergie de la pompe servantà comprimer le gaz et non pas à envoyer le fluide vers lasurface. Ce phénomène peut même conduire à ce que le débitde fluide pompé devienne nul (situation communément appelée« cavitation » ou « gas-lock ») . Les pompes centrifuges sont 1 010890 2 particulièrement sujettes au gas-lock, en particulier dansles puits du fait de leur implantation au pied d'une colonnede fluide qui, du fait de son poids propre, oppose à leurrefoulement, même à débit nul, une contre-pression 5 hydrostatique. De plus, à l'occasion d'arrêts des écoulements, gaz et liquides finissent de se séparer pargravité au fond du puits, ce qui, dans certains cas engendrede graves dysfonctionnements de la pompe lors de sonredémarrage si le gaz accumulé vient à pénétrer dans la 10 pompe, ou encore si, dû à ce régime transitoire, une importante bulle de gaz a pu se former à 1'intérieur de la pompe. II convient, donc, de séparer l'essentiel du gaz de la phase liquide de l'effluent avant que ce liquide ne soit15 aspiré par la pompe. Ainsi toute l'énergie de la pompe peutêtre consacrée à l'envoi du liquide vers la surface et les risques de cavitation sont réduits.
Mais cette séparation de gaz en amont de la pompe nécessite un canal d'évacuation du gaz différent de celui20 emprunté par le liquide traversant la pompe. Une manièrecourante d'assurer cette fonction est de laisser le gaz se « ventiler » - c'est à dire cheminer - par l'espace annulaire qui existe entre la paroi interne du cuvelage dupuits et la paroi externe du tubage qui sert à 1 ' écoulement 25 du liquide pompé. Cette méthode présente cependant plusieursinconvénients majeurs qui ont pour conséquence de rendrel'exploitation du puits plus coûteuse voire dangereuse :notamment la perte d'énergie naturelle d'élévation ;l'agression chimique et/ou mécanique des matériels en 30 contact avec le gaz ; et des échanges thermiques importantset incontrôlables entre les effluents et le pourtour dupuits pouvant engendrer des problèmes d'écoulement coûteux.
Pour pallier partiellement ces inconvénients, le 35 document FR-A-2.723.143 décrit une installation pour puitspétrolier comportant une pompe disposée à l'extrémitéinférieure d'un premier tubage, un deuxième tubage étantdestiné à recevoir, le cas échéant, du gaz provenant de 010890 3 l'effluent et séparé en amont de la pompe, et de le conduirejusqu'à la surface indépendamment de la phase liquideSelon ce document afin de favoriser la séparation du gaz del'effluent en fond de puits, la pompe est munie d'unechemise, qui s'étend jusqu'à un niveau en dessous de lacouche de roche pétrolifère. Ainsi, l'effluent pénétrantdans le puits est contraint à descendre avant d'être aspirépar la pompe, ce qui a pour effet de garantir une excellenteséparation du gaz destiné à emprunter le tubageindépendant. L'installation décrite dans le document FR-A-2.723.143, bien qu'elle permette à la pompe de recevoir uneffluent ayant une faible teneur en gaz, présente cependantdes inconvénients en ce qu'elle nécessite un deuxième tubagesur toute la longueur de puits, ce qui engendred'importantes contraintes dimensionnelles et économiques del'ouvrage. De plus, la colonne d'effluent liquide remontée àla surface par la pompe est lourde puisqu'elle estsubstantiellement exempte de gaz, ce qui nécessite une pompede puissance plus importante.
La présente invention a donc, pour objet, uneinstallation de pompage d'un effluent biphasique liquide/gazqui est de construction simple , robuste et fiable, et quin'est pas sujette aux inconvénients cités ci-avant.
Pour atteindre cet objectif, la présente inventionpropose une installation de pompage destinée à être montéedans un puits s'étendant de la surface jusqu'à une couche deroche pétrolifère, comprenant un tubage à l'extrémitéinférieure duquel est montée une pompe, un joint, monté dansle puits autour du tubage et délimitant une chambre àl'extrémité inférieure du puits, dans laquelle est disposéela pompe, caractérisée en ce que l'installation comprend, deplus, un hydro-éjecteur dans le tubage comprenant une zonede dépression s ' ouvrant dans 1 ' extrémité supérieure de lachambre. D'autres caractéristiques et avantages de laprésente invention ressortiront plus clairement à la lecture 010890 4 de la description ci-après, faite en référence aux dessinset schémas annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinaled'une installation selon un premier mode de réalisation de 5 l'invention, et - les figures 2a et 2c sont des vues schématiques decrois modes de fonctionnement de 11 invention .
Comme représentée sur la figure 1, un puitspétrolier 10 s'étend entre la surface (non-représentée) et 10 une couche de roche pétrolifère 12. Le puits est muni deperforations 14, s'ouvrant dans la roche pétrolifère, quipermettent l'écoulement de l'effluent hydrocarbures versl'intérieur du puits 10. Le puits 10 comprend un cuvelage 16qui le rend étanche par rapport aux couches de roche 15 traversées par le puits. A l'intérieur du puits un tubage 18s'étend entre la surface et un point se trouvant à quelquesmètres au-dessus de la couche de roche 12. Le tubage 18comporte à son extrémité inférieure une pompe 20 munied'entrées 22 pour l'effluent à envoyer à la surface. Dans 20 l'exemple représenté , la pompe 20 est rotative centrifugeet son moteur est alimenté à partir de la surface par uncâble électrique {non représenté). Avant d'être aspiré parla pompe 20, l'effluent provenant de la couche de roche 12,qui remplit le puits jusqu'à un niveau 24, se déplace dans 25 le sens des flèches 26. Pendant ce déplacement, le gazcontenu dans l'effluent se libère et remonte dans le puitsjusqu'au niveau d'un joint 28,· plus communément appelé"packer", formant ainsi une poche de gaz 30 entre le niveau24 de l'effluent liquide et le joint 28, dans une chambre 31 30 définie dans le puits 10 en dessous du packer 28. La pompe20 peut avantageusement comprendre un séparateur spécial àchicane ou dynamique de type centrifuge ou vortex afin demieux garantir la séparation en amont de la pompe ( nonreprésentée. Sans un tel séparateur, la séparation se fait 35 habituellement par gravité dans la chambre 31 où setrouvent, à une vitesse relativement faible compte tenu dela section de leur passage, les effluents bruts sortant desperforations. 01-0-8-^0 5
Le packer 28 définit une chambre annulaire 33délimitée par la paroi interne du cuvelage 16 et la paroiexterne du tubage 18 entre le joint 28 et la surface. Lepacker 28 interdit aux effluents et notamment au gaz de 5 pénétrer la chambre 33. Ils ne peuvent traverser la partiesupérieure du puits qu'en empruntant le tubage 18. Lachambre 33 et tous les accessoires qu'elle contient tel quele cable d'alimentation de la pompe 20 sont donc préservésdes agressions mécaniques et chimiques et reste disponible 10 pour d'autres fonctions telle que par exemple l'accueild'une substance calorifuge afin d'assurer l'isolationthermique du tubage 18.
Au niveau de la poche de gaz 30, le tubage 18comporte un hydro-éjecteur liquide-gaz 32, ou venturi, 15 destiné à créer dans son intérieur une zone de dépression 34par effet venturi. L'hydro-éjecteur liquide-gaz 32 comportedes orifices 36 mettant en communication la zone dedépression 34 et la poche de gaz 30.
Lors de la mise en marche de 1 ’ installation de 20 pompage décrite ci-avant, la pompe 20 est mise en mouvement,aspirant de l'effluent liquide par les entrées 22 et lerefoulant, dans le sens de la flèche 38, vers la surface. Lepassage de l'effluent à travers 1'hydro-éjecteur liquide-gaz32 crée une dépression dans son intérieur du fait de sa 25 géométrie en forme de convergeant, dépression qui provoquel'aspiration par les orifices 36 du gaz de la poche de gaz30 dans le sens des flèches 40. Dans l'intérieur de 1'hydro-éjecteur, le gaz est alors entraîné par l'effluent liquideprovenant de la pompe 20 auquel il se mélange et se re- 30 combine, allégeant ainsi la colonne d'effluent contenue dansle tubage 18, facilitant ainsi sa remontée vers la surface.
Comme la poche de gaz 30 est toujours encommunication avec le tubage 18 par les orifices 36 ; 44, la 35 formation d’une poche de gaz s’étendant jusqu'à la pompe 20est évitée, même lors d'un arrêt prolongé de l'installation.Ceci a pour résultat dJ éviter que la pompe ne redémarrelorsqu'elle est entourée de gaz. 010890
La figure 2a représente schématiquement laconfiguration normale des écoulements, correspondant à celledécrite ci-avant en référence à la figure 1. Les modes defonctionnement de l'invention représentés sur les figures 2Bet 2C comportent des caractéristiques complémentairespermettant à l'installation de mieux réagir dans dessituations dégradées transitoires ou passagères, et de larendre plus efficace et performante.
La figure 2A reprend, de manière schématique lescaractéristiques de l'installation de la figure 1. Leliquide refoulé par la pompe 20 dans le sens de la flèche38, aspire du gaz dans 11hydroéjecteur 32 dans le sens de laflèche 40. Le mélange du liquide recombiné avec le gaz estenvoyé vers la surface par le tubage 18 dans le sens de laflèche 50.
La figure 2B représente schématiquement la situationoù, dans une installation selon l'invention, la pompe 20aspire de l'effluent ayant une forte proportion de gaz oucontient d'importantes bulles de gaz dans ses impulseurs.Les pompes centrifuges tolèrent mal les bulles de gazn'étant pas adaptées à refouler de tels effluents. Il estdonc judicieux de faciliter l'évacuation de ces bulles versla sortie de la pompe avant de continuer à envoyerl'effluent vers la surface.
En effet, la présence d'·importantes bulles de gazdans l'intérieur de la pompe 20 peut survenir en dépit de laséparation du gaz en amont avant l'entrée des fluides dansla pompe 20, due par exemple à un dégazage complémentaire àl'intérieur même de la pompe 20, ou bien lors d'une phasetransitoire de fonctionnement telle qu'un redémarrage del'installation. Pour éviter qu'une telle situation seprolonge et devienne stationnaire au détriment du matérielqui surchaufferait et de la production du puits qui seraitnulle, l'invention propose de soulager le refoulement de lapompe 20 avec, d'une part, un clapet anti-retour 52 dans letubage 18 entre la pompe 20 et 1'hydro-éjecteur 32 pour 010890 1 7 interdire le retour des effluents vers la pompe 20 et ensupporter le poids de colonne hydrostatique, et, d'autrepart, une ouverture latérale 54 située sous ce clapet etpermettant l'évacuation latérale des effluents constituésessentiellement de gaz vers la chambre annulaire 31. Ceclapet 52 et l'ouverture latérale 54 sont préférablement dessystèmes pouvant être mis en place et retirés du puits aucâble par une opération communément appelée « wire-line »afin de rendre leur maintenance peu onéreuse. On peut parexemple utiliser des équipements logés dans des « poches »latérales du type de celles couramment utilisées pour lesvannes d'injection de gaz pour l'allégement de la colonned'effluent et communément appelés « side-pocket ».L'ouverture latérale 54 doit se refermer dès qu'un certaindébit d'effluent liquide et une pression plus élevée, serontde nouveau atteint au refoulement de la pompe 20. Lamanoeuvre de cette ouverture latérale 54 pourra être soitpilotée depuis la surface à l'aide d'une ligne de commandeélectrique ou hydraulique en fonction de paramètres disponibles en surface, ou bien être automatique pilotéelocalement avec par exemple la pression de refoulement de lapompe 20, on la différence de pression dûe aux frictions de l'effluent entre l'entrée et la sortie de l'ouverturelatérale 54. Ce principe est utilisé dans des vannes desécurité appelée « storm-choke » .
Comme représenté sur la f-igure 2B, lorsque la pompen'envoie plus d'effluent liquide vers la surface, la colonnede liquide présente dans le tubage 18, en aval de1'hydroéjecteur 32 s'écoule, sous l'effet de son proprepoids, et jusqu'à l'équilibre, à travers les orifices 36aménagés dans 1 'hydroéjecteur vers la chambre 31. Une foisque le tubage s'est vidé jusqu'à l'équilibre, le gaz présentdans la chambre 31 peut remonter vers la surface enpénétrant dans le tubage 18 par les orifices 36. Ainsi, mêmesi le niveau 24 de l'effluent liquide est descendu endessous du niveau de la pompe 20, cette purge du gaz dans lachambre 31 permet au niveau du liquide 24 de remonter au 010890 delà de celui de la pompe 20. Une fois que la pompe setrouve, de nouveau, immergée dans de l'effluent liquideayant une faible proportion de gaz, l'envoi de l'effluentvers la surface peut recommencer.
La figure 2C représente schématiquement uneinstallation destinée à pallier les problèmes qui peuventsurvenir lorsque le niveau 24 du liquide dépasse celui de1'hydroéj ecteur 32.
Une telle situation se produit si 1'hydro-éjecteur aune capacité d'aspiration de gaz supérieure au débit de gazlibéré par la séparation située en amont de l'entrée de lapompe 20. C'est même la situation la plus probable dans laconfiguration normale de l'installation selon l'invention.Or même si 1 ' hydro-éj ecteur est capable de fonctionner enliquide-liquide comme c'est le cas général en « jet-pumping », il est plutôt préférable d'éviter l'entraînementeffectif de liquide en provenance de la chambre 31 par lesefflüents liquides s'écoulant dans le sens de la flèche 38.Car un tel entraînement réduirait la performance et/oul'efficacité du système. Pour éviter cet entraînement deliquides, et rendre l'entraînement sélectif vis-à-vis du gazet du liquide de la chambre 31 plusieurs solutions sontproposées ci-après : la première s'appuie sur le fait que1'hydro-éjecteur 32 est plus ou· moins capable d'effectuercette sélection naturellement par « blocage hydraulique ».C'est le phénomène qui joue lorsque qu'en jet-pumpingliquide-liquide, le jet fait du « gas-lock », c'est à diren'arrive plus à entraîner de liquide. Cette condition est obtenue pour un débit de liquide entraînant suffisammentélevé. La deuxième consiste à utiliser un flotteur destiné àobturer l'entrée de gaz latérale de 1'hydro-éjecteur 32lorsque du liquide de la chambre 31 le soulève. Ce flotteurserait là encore un système qui pourrait se repêcher aucâble et qui pourrait par exemple s'implanter dans un« side-pocket », par lequel passerait tout le gaz de la 010890 9 poche 30 avant de pénétrer dans 1 ' hydro-éjecteur 32. Latroisième, également repêcher au câble, serait l'équivalentdu flotteur mais avec une technologie différente, parexemple, battant ou autre « storm choke » fermant au passage 5 de liquides.On peut également prévoir un orifice de petitdiamètre ou « duse » résistant peu à l'écoulement des gaz etbeaucoup à celui de liquides, provoquant même le dégazage deces derniers. 10 L'hydro-éjecteur liquide-gaz 32, et les accessoirescorrespondants aux fonctions représentées sur les figures 2Bet 2C ainsi que 1 ' élément mobile de la pompe sontavantageusement aménagés afin de permettre leur remontée à 15 la surface par câble lorsque des interventions demaintenance s'imposent. L'hydro-éjecteur liquide-gaz peut-être monté dans letubage en un point au dessus du joint , la zone de 20 dépression communicant avec la chambre par un conduit quitraverse le joint.
Claims (5)
- 010890 10 REVENDICATIONS 1/ Installation de pompage destinée à être montéedans un puits (10) s’étendant de la surface jusqu'à unecouche de roche pétrolifère, comprenant un tubage (18) àl'extrémité inférieure duquel est montée une pompe (20), unjoint (28 ; 42) , monté dans le puits autour du tubage (18)et délimitant une chambre (31) à l'extrémité inférieure dupuits, dans laquelle est disposée la pompe caractérisée ence que l'installation comprend, de plus, un hydro-éjecteur(32) , dans le tubage (18) , comprenant une zone de dépression(34) s'ouvrant dans l'extrémité supérieure de la chambre(31) .
- 2/ Installation selon la revendication 1,caractérisée en ce que 1'hydro-éjecteur liquide-gaz (32) estmonté dans le tubage (18) immédiatement en dessous du joint(28) , la zone de dépression (34) communicant avec la chambre(31) par des orifices (36) ménagés dans 1 ' hydro-éjecteurliquide-gaz.
- 3/ Installation selon la revendication 1,caractérisée en ce que 1'hydro-éjecteur liquide-gaz (32) estmonté dans le tubage (18) en un point au dessus du joint(42) , la zone de dépression (34) communicant avec la chambre(31) par un conduit (46) qui traverse le joint (42).
- 4/ Installation selon l'une des revendications 1 à 3caractérisée en ce que la pompe comprend, de plus, unséparateur centrifuge qui communique avec la zone dedépression (34) de 1'hydro-éjecteur liquide-gaz (32).
- 5/ Installation selon l’une des revendacations 1 à 4caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un clapet anti-retour (52) monté dans le tubage (18) entre le pompe (20) et1'hydro-éjecteur (32), et une ouverture latérale (54) dansle tubage (18) entre la pompe (20) et ce clapet anti-retour(52) .
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