WO2011001408A1 - Procede d'extraction d'hydrocarbures par chauffage electromagnetique d'une formation souterraine in situ - Google Patents

Procede d'extraction d'hydrocarbures par chauffage electromagnetique d'une formation souterraine in situ Download PDF

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WO2011001408A1
WO2011001408A1 PCT/IB2010/053036 IB2010053036W WO2011001408A1 WO 2011001408 A1 WO2011001408 A1 WO 2011001408A1 IB 2010053036 W IB2010053036 W IB 2010053036W WO 2011001408 A1 WO2011001408 A1 WO 2011001408A1
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electromagnetic heating
well
underground formation
electromagnetic
installation according
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PCT/IB2010/053036
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Franck Rey-Bethbeder
Jacques Lavaud
Philippe Espagne
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Total S.A.
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    • H05B2214/03—Heating of hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to a method for extracting hydrocarbons by electromagnetic heating in situ of the underground formation, and an installation adapted to the implementation of this method.
  • SAGD steam assisted gravity drainage
  • in situ combustion which consists in injecting into the deposit an oxidant, generally air, by injection wells and initiating a combustion within the deposit, so as to develop combustion fronts from the air injection wells and towards the production wells.
  • Another technique that has been proposed is to carry out electromagnetic heating in situ of the tank.
  • a first category of electromagnetic heating in situ of the tank is that of the heating by electromagnetic radiation (that is to say radio frequency or microwave) by means of an antenna disposed in the tank.
  • Document WO 2007/147053 describes an example of such a system: a radiofrequency generator is placed on the surface; the energy produced is radiated by means of a radiofrequency antenna arranged in a horizontal or vertical specific well. The production well, part of which is horizontal, is located under the radiofrequency antenna.
  • a second category of electromagnetic heating in situ of the tank is that of induction heating.
  • the document WO 2008/098850 describes in a particular embodiment an injector well geometry passing through the reservoir and imposing a circulation of electric current induced in the reservoir.
  • the pu injector also has a steam injection function.
  • a high frequency generator provides the power supply necessary for induction.
  • the two terminals of the generator are connected to both ends of the injector well, which thus heats the tank by induction.
  • the injector well thus rises to the surface, the two ends of the injector well being then connected to the generator.
  • the well then has a particular geometry, of U-shaped well type.
  • the electric circuit is formed by the injector well on the one hand (connected to a terminal of the generator) and an electrode implanted in a pocket of salt water on the other hand (connected to the other terminal of the generator).
  • the heating of the tank is of resistive type, an electrical circuit being established between two remote wells, located on the one hand and an area of the deposit to be heated.
  • the document WO 2009/027273 describes a method of injecting water into the tank, the water being vaporized by electric heating in the tank.
  • the water injection well and the production well may serve as electrodes.
  • WO 2009/027262 describes the use of at least one additional conduit electrically connected to the injector well in order to inductively heat the zone situated between the additional conduit and the injection well.
  • WO 2009/027305 discloses an installation for heating a hydrocarbon reservoir comprising an external alternator providing the electrical power for supplying a conductive circuit.
  • the magnetic field induces currents in the tank, and causes its heating.
  • a particular conductor, Litz cable type is used to carry out inductive heating in situ.
  • This Litz cable has several aligned conductors to facilitate current flow.
  • the high impedance thus generated at high frequency is compensated by the introduction of serial capacitors, in order to avoid overvoltages.
  • the cable makes a loop in the tank, its two ends being connected to a surface generator.
  • This system has the disadvantage of operating only for a single electrical frequency determined, which is problematic since the frequency should ideally adapt to the nature of the tank and the evolution of it.
  • this system is inefficient at the beginning and end of production and involves a slow warm-up and a very good knowledge of the tank from the start.
  • the conductors are placed at the same depth in the tank, one next to the other, at a given distance.
  • the magnetic radiation emitted by a driver is canceled by the other driver. If such a geometry makes it possible to avoid energy losses in the dead lands, it nevertheless requires that the conductors be spaced from each other at the reservoir, to allow the emission of electromagnetic energy and ultimately ensure the tank heating.
  • This drilling geometry is extremely complex to implement.
  • the invention relates first of all to a hydrocarbon extraction installation contained in an underground formation, comprising:
  • At least one electromagnetic heating well in the underground formation comprising an electromagnetic heating device connected to the generator;
  • the electromagnetic heater comprises a radiating coaxial line.
  • the above-mentioned plant comprises at least one production well, preferably a plurality of production wells, in the underground formation, said production wells comprising at least part of the hydrocarbon sampling means.
  • said production wells comprising at least part of the hydrocarbon sampling means.
  • the electromag- netic heating pipe comprises a substantially vertical portion and a substantially horizontal portion
  • the production well comprises a substantially vertical portion and a substantially horizontal portion
  • the electromagnetic heating device comprises a coaxial transmission line.
  • the electromagnetic heating well comprises a substantially vertical portion and a substantially horizontal portion, at least a portion of the coaxial transmission line being disposed in the substantially vertical portion, and at least a portion, preferably all of of the radiating coaxial line being disposed in the substantially horizontal portion.
  • the electromagnetic heating device comprises an external conductor, an inner conductor and sliding insulating elements between the outer conductor and the inner conductor.
  • the electromagnetic heating well also comprises at least part of the hydrocarbon sampling means.
  • the electromagnetic heating well comprises means for injecting water or water vapor into the subterranean formation.
  • the electromagnetic heating well has an end in the subterranean formation, the electromagnetic heater being preferably short-circuited or re-entrant at said end.
  • the generator comprises a high frequency generator disposed in the electromagnetic heating well.
  • the electromagnetic heating device is movable in the electromagnetic heating well.
  • the radiating coaxial line comprises an inner conductor and an outer conductor interrupted by a plurality of insulating windows.
  • the invention also relates to a process for extracting hydrocarbons in a subterranean formation, comprising:
  • the electromagnetic heating of the underground formation is carried out by induction and / or radiation.
  • the aforementioned method also comprises:
  • the aforementioned method is implemented in an installation as described above.
  • the present invention overcomes the disadvantages of the state of the art.
  • it provides a method and an underground formation electromagnetic heating system that are simpler to implement and more flexible.
  • the method and the installation according to the invention can be implemented in a wide range of frequencies, whether in the field of induction or radiation.
  • the invention makes it easy to adapt to any type of underground formation.
  • the invention also has one or preferably more of the advantageous features listed below.
  • Electromagnetic heating wells can also provide a hydrocarbon production function. This makes it possible to optimize the yield and also to regulate the bottom pressure to an acceptable value, especially at the beginning of heating of the underground formation, the irreducible water of the underground formation vaporizing, this which can lead to a rise in pressure before the start of production by the production wells.
  • the invention makes it possible to use a conventional drilling geometry, with wells comprising a substantially vertical portion of the surface towards the bottom, and a substantially horizontal portion in the bottom.
  • a conventional drilling geometry with wells comprising a substantially vertical portion of the surface towards the bottom, and a substantially horizontal portion in the bottom.
  • the heating of the production wells is limited. This can make it possible to use conventional production wells equipped with a metal casing. More particularly, it may be advantageous to use a slightly different angle of 90 °, in order, however, to generate additional heating (optimized) in the vicinity of the production wells. Thus, the flow near the producing wells is improved and paraffin deposits may be limited in the vicinity of producing wells. This additional heating can also allow upgrading in situ.
  • Figure 1 schematically shows an embodiment of the hydrocarbon extraction plant according to the invention.
  • Figures 2 and 3 schematically show embodiments of electromagnetic heating devices used in the installation according to the invention.
  • FIG. 4 represents a detail of an electromagnetic heating device used in the installation according to the invention.
  • a hydrocarbon extraction installation comprises hydrocarbon sampling means arranged in an underground formation 1, at least one generator 5 and at least one electromagnetic heating well 2 in underground formation 1.
  • the hydrocarbon sampling means are included (wholly or partly) in one or more production wells 6 in the underground formation 1.
  • the underground formation 1 comprises hydrocarbons or comprises a material (organic materials) that can be converted into hydrocarbons by physical or chemical transformation.
  • the formation 1 may for example be sandy, arg ileuse or carbonated. It can be a tank containing any type of gaseous or liquid hydrocarbons, including natural gas, bitumen, heavy oils, mobile oils and conventional oils. Formation 1 may also include oil shale, oil sands, methane hydrates or adsorbed gas on clay. It can also be a coal deposit.
  • the installation comprises a plurality of production wells 6 which can be, for example, aligned.
  • the installation comprises a plurality of electromagnetic heating wells 2, which can be for example aligned.
  • the production wells 6 are intended to extract the hydrocarbons contained in the underground formation 1 (possibly mixed with water, solids and other contaminants), while the electromagnetic heating wells 2 are mainly intended to operate a heating in situ of the underground formation 1 in order to mobilize the hydrocarbons.
  • a collection line 9 adapted to recover the hydrocarbons extracted from the various production wells 6.
  • the electromagnetic heating wells 2 comprise a part of the hydrocarbon sampling means, that is to say also provide a production function (extraction) of hydrocarbons.
  • an additional collection line 10 is provided adapted to recover the hydrocarbons extracted from the various electromagnetic heating wells 2.
  • this additional collection line 10 opens into the main collection line 9.
  • electromagnetic heating pulses 2 provide the hydrocarbon production function, that is to say form the aforementioned hydrocarbon sampling means. In this case, no production well 6 is present. However, it is preferred that the installation comprises both electromagnetic heating wells 2 and production wells 6 in order to allow better exploitation of the underground formation 1.
  • Each electromagnetic heating well 2 comprises an electromagnetic heater which will be described in more detail below.
  • the electromagnetic heating device is supplied by a generator 5.
  • each electromagnetic heating device in each electromagnetic heating well 2 is provided with a generator 5 of its own.
  • each generator 5 can be disposed on the surface, as shown in FIG. 1, but it can also be arranged at least partly underground, in the electromagnetic heating well 2, as will be detailed here. -Dessous.
  • each well 6 can be vertical, essentially vertical, inclined or include portions of different inclinations.
  • each well may comprise a horizontal or essentially horizontal portion.
  • each production well 6 comprises a predominantly vertical portion 3 and a substantially horizontal portion 4.
  • each production well 6 comprises a substantially vertical portion 7 and a substantially horizontal portion 8.
  • the substantially vertical portion of each well is the one that connects the surface to a zone of interest of the underground formation 1; and the substantially horizontal portion of each well is located at depth, and advantageously passes through one or more areas of the hydrocarbon-rich subterranean formation 1.
  • substantially horizontal means “forming an angle less than or equal to 20 °, preferably less than or equal to 10 °, more preferably less than or equal to 5 °, relative to the horizontal plane. ".
  • the essentially horizontal portions 4 of the electromagnetic heating wells 2 are disposed above the essentially horizontal portions 8 of the production wells 6. This configuration makes it possible to optimize the recovery of the hydrocarbons. Indeed, when the installation is in operation, each electromagnetic heating well 2 produces a heating zone 1 1 in the underground formation 1, surrounding the electromagnetic heating well 2. According to a preferred embodiment, only the substantially horizontal portion 4 of the electromagnetic heating wells 2 contributes to heating the underground formation 1, and the heating zone 1 1 then surrounds the essentially horizontal portion 4 of each electromagnetic heating well 2. In the heating zone 11, the mobilized hydrocarbons have tend to sink under the effect of gravity and are therefore easily recovered by substantially horizontal portions 8 production wells located at a lower position.
  • a particularly optimal configuration is that shown in FIG. 1, in which the heating zone 11 has a height H / 2 on either side of the essentially horizontal portion 4 of each water well.
  • electromagnetic heating 2 (equivalent to a total height H of the heating zone 1 1), and the substantially horizontal portion 8 of each production well 6 is located at a distance H / 10 from the lower limit of the heating zone 1 1, and therefore at a distance 9H / 10 from the upper limit of the heating zone 1 1.
  • the essentially horizontal portions 4 of the electromagnetic heating pipes 2 can be substantially aligned with the essentially horizontal portions 8 of the production wells 6.
  • a slightly different angle of 90 ° is chosen, in order however to generate some additional (optimized) heating near the production wells.
  • additional (optimized) heating near the production wells.
  • paraffin deposits can be limited in the vicinity of production wells 6. This additional heating can also allow upgrading in situ.
  • each electromagnetic heating well 2 and / or each production well 6 has one end in the subterranean formation 1 (the other end being on the surface).
  • the wells do not open at both ends on the surface: this considerably simplifies the drilling operations and minimizes the electrical losses in the dead lands.
  • Electromagnetic heating device according to the invention
  • part of an electromagnetic heater 100 disposed in an electromagnetic heating well 2 is formed by a radiating coaxial line 106.
  • radiating coaxial line also known as a “coaxial line of leaks” is meant a transmission line of the electric current comprising at least two coaxial conductors and capable of supplying electromagnetic energy to the environment through radiation or induction.
  • a radiating coaxial line is described for example in application US 2001/054945.
  • a part of the electromagnetic heater 100 is formed by a coaxial transmission line 105.
  • coaxial transmission line is meant a transmission line of the electric current comprising at least two coaxial conductors and minimizing the loss of electromagnetic energy in the environment.
  • the radiating coaxial line 106 as well as the transmission coaxial line 105 preferably comprise an outer conductor 103 and an inner conductor 104, separated by an insulating zone.
  • the external conductor 103 (respectively the inner conductor 104) of the radiating coaxial line 106 may therefore be continuous with that of the coaxial transmission line 105, that is to say form with it a same conductive element.
  • the difference between the radiating coaxial line 106 and the transmission coaxial line 105 comes from the presence of insulating windows 107 on the radiating coaxial line 106.
  • the external conductor 103 of the radiating coaxial line 106 is interrupted by insulating windows 107. At these insulating windows 107, the electromagnetic field is likely to radiate outside the coaxial cable, which ultimately allows heating of the tank.
  • These insulating windows 107 are preferably of a material providing minimal dielectric losses, for example of alumina or cement. Their sizes and their spacing are determined to allow the electromagnetic emission, in the form of induction, radiation or capacitive current, over a given broad spectrum of frequencies.
  • the external conductor 103 is not interrupted. There is no energy emission from the coaxial cable to the dead lands.
  • the leakage of electromagnetic energy into the environment is minimized in the coaxial transmission line 105 and is maximized or optimized in the radiating coaxial line 106.
  • the electromagnetic heating device 100 comprises the coaxial transmission line 105 in the essentially vertical portion 3 of the electromagnetic heating well 2, and the radiating coaxial line 106 in the essentially horizontal portion 4 of the electromagnetic heating well. 2.
  • This configuration is particularly useful for effectively utilizing electromagnetic energy for heating hydrocarbon-rich subterranean formation areas 1 (traversed by essentially horizontal portions 4 of the electromagnetic heater wells 2) while minimizing energy losses for the Crossing of lands without hydrocarbons (dead lands).
  • the substantially horizontal portion 4 of the electromagnetic heating well 2 passes through both hydrocarbon-rich subterranean formation zones 1 and hydrocarbon-poor subterranean formation zones 1, it may be advantageous to alternatively radially coaxial line 106 (in the vicinity of the hydrocarbon-rich zones) and segments of coaxial transmission 1 05 (in the vicinity of the hydrocarbon-poor zones), always in order to limit the unnecessary losses of electromagnetic energy.
  • the outer conductor 103 and the inner conductor 104 are separated by an insulating zone. According to an advantageous embodiment (shown in FIG. 4), this insulating zone is constituted by sliding insulating elements 111 between the two conductors 103, 104, such as alumina skis.
  • the outer conductor 103 can be put in place first, then the inner conductor 104 can be slid into the outer conductor 103, and kept at a constant distance therefrom.
  • the sliding insulating elements 1 1 1 may be welded or bonded directly to one or the other of the conductors 103, 104.
  • the power supply of the electromagnetic heater 100 is provided by the generator 5 described above.
  • this high frequency generator 101 is a high frequency generator 101 located on the surface.
  • This high frequency generator 101 produces an electrical signal at a frequency between about 1 kHz and about 10 GHz.
  • the high frequency generator 101 operates at a predetermined frequency, according to the international regulations in force.
  • An impedance matching system 102 is provided at the output of the high frequency generator 101 to avoid excessive reflections of the load to the generator.
  • This embodiment is simple to implement because the presence of high frequency generators on the surface is conventional and does not require complex adaptation.
  • the two terminals of the generator are respectively connected to the outer conductor 103 and the inner conductor 104 of the coaxial transmission line 105.
  • short-circuit elements 108 are provided at the end of the radiating coaxial line 106. (between the outer conductor 103 and the inner conductor 104) to loop the electrical circuit.
  • a coaxial re-entrant system may be provided as a radiating coaxial line 106, which also makes it possible to loop the electrical circuit.
  • the outer conductor 103 is connected at the end of the radially coaxial line 106 to a return conductor which is located inside the inner conductor 104.
  • a generator terminal is then connected to the outer conductor 103, and the other terminal to the return conductor.
  • the well architecture is simple to implement since it is not a U-shaped well.
  • the presence of a short-circuit at the end or the re-entrant configuration makes it possible to avoid the end of the radiating coaxial line 106 does not radiate like the rest of the radiating coaxial line 106 (i.e., as the length thereof). Thus, it avoids heating a part of the underground formation without hydrocarbons, and thus increases the heating efficiency.
  • these two architectures allow on the one hand a better adaptation between the generator and the radiating coaxial line and on the other hand an operation either in radiation, in induction or by induction of capacitive current according to the choice of the frequency.
  • the latter is chosen according to the electrical properties of the tank.
  • the 5 comprises two parts, namely a surface generator 109 and a high frequency generator 110 located in the electromagnetic heating well 2.
  • the high frequency generator 110 is powered by the surface generator 109, which provides a unidirectional current, such as a direct current or a rectified current.
  • the current may be transmitted between the surface generator 109 and the high frequency generator 110 by two-wire or three-phase wiring, or, advantageously, by means of the coaxial transmission line 105 described above, as shown in FIG. .
  • the high frequency generator 110 is adapted to produce an electrical signal at a frequency between about 1 kHz and about 10 GHz.
  • this high frequency generator 110 comprises a vacuum tube and is in particular of the triode type.
  • the French application No. 08/04694 filed August 26, 2008 by Total S.A. contains the complete description of a high frequency generator disposed in a well, and the skilled person can refer to it.
  • the embodiment of FIG. 3 has the advantage of avoiding the regulatory limitations of frequency on the surface. Thus, it is possible to adapt the frequency of the electromagnetic emission to the characteristics of the underground formation 1, and also to vary the frequency of this emission during operation, the characteristics of the underground formation 1 may evolve.
  • short circuit elements 108 are provided at the end of the electromagnetic heater 100 (located at the end of the electromagnetic heating well 2 which is disposed in the subterranean formation 1) in order to loop the electrical circuit.
  • a re-entrant coaxial system can be provided.
  • the electromagnetic heating well 2 also comprises means for sampling hydrocarbons and / or means for injecting water or water vapor into the underground formation 1.
  • the circulation of hydrocarbons, water or the water vapor is preferably carried out in the central part of the electromagnetic heating device 100, that is to say inside the inner conductor 104.
  • the means for injecting water or water vapor can also be replaced by injection means of any other type of auxiliary fluid, for example aqueous solution or supercritical fluid (especially CO 2 ).
  • auxiliary fluid for example aqueous solution or supercritical fluid (especially CO 2 ).
  • the outer conductor 103 and the inner conductor 104 may be of the same metallurgy as the casings and casings used in conventional production wells.
  • the external conductor 103 preferably has mechanical characteristics which ensure the holding of the electromagnetic heating device 100.
  • the external conductor 103 partially interrupted by the insulating windows 107 may be surrounded by a protective layer, transparent to high frequency electromagnetic radiation and stable at high temperature.
  • This protective layer may for example be formed of cement or mortar, or graded gravel (which can serve as a filter at the inlet in case of sampling of hydrocarbons in the electromagnetic heating well 2) or metal strainer. It is avoided to use a protective layer of composite material that is not very resistant to high temperatures.
  • the electromagnetic heating device 100 is movable in the electromagnetic heating well 2, for example by means of a sliding assembly (using alumina or other sliding guides). Thus, it is possible to perform translational movements of the electromagnetic heating device 100 along the axis of the well 2.
  • the process of the invention makes it possible to extract hydrocarbons contained in the underground formation 1.
  • hydrocarbons means chemical compounds containing exclusively carbon and hydrogen atoms.
  • the hydrocarbons extracted can be liquid or gaseous. They may pre-exist in the subterranean formation prior to sampling, or may be obtained by:
  • upgrading and / or conversion are obtained in situ at least in part by heating the underground formation according to the invention.
  • Upgrading refers to any known process in the oil / gas field to modify the quality of hydrocarbons (especially oils) and in particular to make hydrocarbons more valuable.
  • the term "upgrading” covers in particular any chemical transformation process making it possible to obtain lighter hydrocarbons than the hydrocarbons initially present in the underground formation. Upgrading notably facilitates the production of hydrocarbons in the tank, or facilitates the transport of hydrocarbons on the surface.
  • conversion is meant any process of transformation of organic matter into hydrocarbons, including the pyrolysis of oil shales into hydrocarbons.
  • organic materials materials comprising substances essentially having a carbon-based structure, and including hydrocarbon compounds and derivatives thereof.
  • the extraction process according to the invention comprises the electromagnetic heating of the underground formation 1 by means of the electromagnetic heating device (s) 100; and removing the hydrocarbons from the underground formation 1 and transporting them to the surface.
  • the hydrocarbon sampling is preferably carried out mainly in the production wells 6, and / or possibly in the electromagnetic heating wells 2.
  • Electromagnetic heating is effected by electromagnetic emission at the level of the radiating coaxial line.
  • the electromagnetic emission is mainly reflected in the form of radiation at the highest frequencies (of the order of about 500 kHz up to about 10 GHz) or mainly in the form of induction at the lowest frequencies (of the order of About 1 kHz up to about 500 kHz).
  • induction heating or radiation depends mainly on the nature of the underground formation 1. If the underground formation 1 has a high electrical conductivity (for example due to the presence of highly conductive clays), it is preferable to use induction. On the other hand, if the underground formation 1 has a low electrical conductivity, it is preferable to use the radiation.
  • the heating of the underground formation 1 can be carried out only by direct transmission of electromagnetic energy to the underground formation 1 and to the materials that compose it. But it can also be supplemented by an injection of steam (in a conventional manner), preferably via the electromagnetic heating wells 2 themselves; or by an injection of water, preferably via the electromagnetic heating wells 2 themselves, the water being vaporized in situ by electromagnetic heating.
  • auxiliary fluid in liquid form dispersed in the formation is particularly capable of capturing the electromagnetic radiation emitted by the electromagnetic heating device 100.
  • the vapor produced is dispersed in the formation 1, it infiltrates into the rock, and then, cooling (by giving in particular heat to the hydrocarbons of the formation), becomes liquid again.
  • the auxiliary fluid makes it possible to increase the heating efficiency of the formation 1.
  • the invention makes it possible to achieve a temperature of more than 200 ° C. in the underground formation 1, preferably of more than 300 ° C., in a particularly preferred manner of more than 350 ° C., and for example of approximately 400 0 C.
  • a temperature of more than 200 ° C. in the underground formation 1, preferably of more than 300 ° C., in a particularly preferred manner of more than 350 ° C., and for example of approximately 400 0 C.

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Abstract

L'invention concerne une installation d'extraction d'hydrocarbures contenus dans une formation souterraine (1 ), comprenant : - des moyens de prélèvement d'hydrocarbures; - au moins un générateur (5); - au moins un puits de chauffage électromagnétique (2) dans la formation souterraine (1 ), comprenant un dispositif de chauffage électromagnétique (100) connecté au générateur (5); dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique (100) comprend une ligne coaxiale rayonnante (106). L'invention concerne également un procédé d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine pouvant être mis en œuvre au moyen de cette installation.

Description

PROCEDE D'EXTRACTION D'HYDROCARBURES PAR CHAUFFAGE ELECTROMAGNETIQUE D'UNE FORMATION SOUTERRAINE IN SITU
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé d'extraction d'hydrocarbures par chauffage électromagnétique in situ de la formation souterraine, ainsi qu'une installation adaptée à la mise en œuvre de ce procédé. ARRIERE-PLAN TECHNIQUE
La viscosité importante des hydrocarbures présents dans certains gisements (huiles lourdes) pose des problèmes d'extraction considérables. Dans de tels cas, il est généralement nécessaire de diminuer la viscosité (fluidifier) des huiles lourdes de manière à les rendre plus mobiles et donc à pouvoir les extraire. L'enjeu est en particulier celui de l'exploitation des sables ou schistes bitumineux.
De nombreuses techniques ont été proposées à cette fin, notamment le « SAGD » (drainage gravitaire assisté par la vapeur), qui consiste à injecter de la vapeur dans le gisement, le chauffage par conduction de chaleur (par exemple au moyen de résistances électriques) ou encore la combustion in situ, qui consiste à injecter dans le gisement un oxydant, généralement de l'air, par des puits d'injection et à initier une combustion au sein du gisement, de sorte à développer des fronts de combustion à partir des puits d'injection d'air et en direction des puits de production.
Une autre technique qui a été proposée consiste à procéder à un chauffage électromagnétique in situ du réservoir.
Une première catégorie de chauffage électromagnétique in situ du réservoir est celle du chauffage par rayonnement électromagnétique (c'est-à-dire radiofréquence ou micro-ondes) au moyen d'une antenne disposée dans le réservoir. Le document WO 2007/147053 décrit un exemple de tel système : un générateur radiofréquence est disposé en surface ; l'énergie produite est rayonnée au moyen d'une antenne radiofréquence disposée dans un puits spécifique horizontal ou vertical. Le puits de production, dont une partie est horizontale, est situé sous l'antenne radiofréquence.
Une deuxième catégorie de chauffage électromagnétique in situ du réservoir est celle du chauffage par induction.
Par exemple, le document WO 2008/098850 décrit dans un mode de réalisation particulier une géométrie de puits injecteur traversant le réservoir et imposant une circulation de courant électrique induit dans le réservoir. Le pu its injecteur a également une fonction d'injection de vapeur. Un générateur haute fréquence fournit l'alimentation électrique nécessaire à l'induction. Les deux bornes du générateur sont reliées aux deux extrémités du puits injecteur, qui chauffe ainsi par induction le réservoir. Le puits injecteur remonte donc à la surface, les deux extrémités du puits injecteur étant alors connectées au générateur. Le puits a alors une géométrie particulière, de type puits en U. Dans d'autres cas, le circuit électrique est formé par le puits injecteur d'une part (relié à une borne du générateur) et une électrode implantée dans une poche d'eau salée d'autre part (reliée à l'autre borne du générateur). Dans d'autre cas encore, le chauffage du réservoir est de type résistif, un circuit électrique étant établi entre deux puits distants, situés de part et d'une zone du gisement à chauffer.
La géométrie de forage nécessaire pour mettre en œuvre un chauffage par induction pour ces deux types d'architecture serait extrêmement complexe à réaliser. De plus, dans ces deux architectures, le tube injecteur chauffe par induction le réservoir sur toute sa longueur, donc y compris dans sa partie verticale. Des pertes énergétiques importantes ont lieu aux abords des conducteurs, dans les morts terrains.
Le document WO 2009/027273 décrit un procédé d'injection d'eau dans le réservoir, l'eau étant vaporisée par chauffage électrique dans le réservoir. Par exemple, le puits d'injection d'eau et le puits de production peuvent servir d'électrodes.
Le document WO 2009/027262 décrit l'utilisation d'au moins un conduit supplémentaire connecté électriquement au puits injecteur afin de chauffer de façon inductive la zone située entre le conduit supplémentaire et le puits injecteur.
Le document WO 2009/027305 décrit une installation pour chauffer un réservoir d'hydrocarbures comprenant un alternateur extérieur fournissant la puissance électrique servant à alimenter un circuit conducteur. Le champ magnétique induit des courants dans le réservoir, et entraîne son chauffage. Un conducteur particulier, de type câble de Litz, est utilisé afin de procéder au chauffage inductif in situ. Ce câble de Litz comprend plusieurs conducteurs alignés afin de faciliter le passage du courant. La forte impédance ainsi générée à haute fréquence est compensée par l'introduction de capacités en série, afin d'éviter les surtensions. Le câble fait une boucle dans le réservoir, ses deux extrémités étant connectées à un générateur de surface. Ce système présente l'inconvénient de ne fonctionner que pour une seule fréquence électrique déterminée, ce qui pose problème puisque la fréquence doit idéalement s'adapter à la nature du réservoir et à l'évolution de celui-ci. Autrement dit, ce système est peu efficace en début et en fin de production et implique un préchauffage lent et une très bonne connaissance du réservoir dès le départ. De plus, dans le mode de réalisation principal, les conducteurs sont placés à la même profondeur dans le réservoir, l'un à côté de l'autre, à une distance donnée. Ainsi, le rayonnement magnétique émis par un conducteur est annulé par l'autre conducteur. Si une telle géométrie permet d'éviter les pertes énergétiques dans les morts terrains, elle impose cependant que les conducteurs soient écartés l'un de l'autre au niveau du réservoir, pour permettre l'émission d'énergie électromagnétique et assurer in fine le chauffage du réservoir. Cette géométrie de forage est extrêmement complexe à mettre en œuvre.
L'ensemble des systèmes décrits ci-dessus présente l'inconvénient d'être souvent lourds et complexes à mettre en œuvre. En outre, ces systèmes sont uniquement adaptés à un type bien particulier de chauffage électromagnétique, que ce soit par rayonnement (aux fréquences les plus élevées) ou par induction (aux fréquences les moins élevées), voire sont uniquement adaptées à une fréquence bien précise.
II existe donc un besoin d'un système de chauffage électromagnétique de formation souterraine plus simple à mettre en œuvre et plus flexible. En particulier, il existe un besoin d'un système de chauffage électromagnétique de formation souterraine pouvant fonctionner par rayonnement aussi bien que par induction de courants capacitifs, dans une large gamme de fréquences, qui puisse s'adapter aisément à tout type de formation souterraine.
RESUME DE L'INVENTION
L'invention concerne en premier lieu une installation d'extraction d'hydrocarbures contenus dans une formation souterraine, comprenant :
- des moyens de prélèvement d'hydrocarbures ;
- au moins un générateur ;
- au moins un puits de chauffage électromagnétique dans la formation souterraine, comprenant un dispositif de chauffage électromagnétique connecté au générateur ;
dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique comprend une ligne coaxiale rayonnante.
Selon un mode de réalisation, l'installation susmentionnée comprend au moins un puits de production, de préférence une pluralité de puits de production, dans la formation souterraine, lesdits puits de production comprenant au moins une partie des moyens de prélèvement d'hydrocarbures. Selon un mode de réalisation :
- le pu its de chauffag e él ectromag nétiq ue com prend u ne portion essentiellement verticale et une portion essentiellement horizontale ;
- le puits de production comprend une portion essentiellement verticale et une portion essentiellement horizontale ;
- l a port io n essen ti el l em e nt ho rizo nta l e d u p u its d e ch a uffag e électromagnétique étant disposée au-dessus de la portion essentiellement horizontale du puits de production ; et
- l a port io n essen ti el l em e nt ho rizo nta l e d u p u its d e ch a uffag e électromagnétique formant avec la portion essentiellement horizontale du puits de production, dans le plan horizontal, un angle compris entre 60 et 120°, de préférence entre 70 et 1 10°, de manière plus particulièrement préférée entre 80 et 100°, ledit angle étant idéalement différent de 90°.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage électromagnétique comprend une ligne coaxiale de transmission.
Selon un mode de réalisation, le puits de chauffage électromagnétique comprend une portion essentiellement verticale et une portion essentiellement horizontale, au moins une partie de la ligne coaxiale de transmission étant disposée dans la portion essentiellement verticale, et au moins une partie, de préférence la totalité, de la ligne coaxiale rayonnante étant disposée dans la portion essentiellement horizontale.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage électromagnétique comprend un conducteur externe, un conducteur interne et des éléments isolants glissants entre le conducteur externe et le conducteur interne.
Selon un mode de réalisation, le puits de chauffage électromagnétique comprend également au moins une partie des moyens de prélèvement d'hydrocarbures.
Selon un mode de réalisation, le puits de chauffage électromagnétique comprend des moyens d'injection d'eau ou de vapeur d'eau dans la formation souterraine.
Selon un mode de réalisation, le puits de chauffage électromagnétique présente une extrémité dans la formation souterraine, le dispositif de chauffage électromagnétique étant de préférence court-circuité ou ré-entrant à ladite extrémité.
Selon un mode de réalisation, le générateur comprend un générateur haute fréquence disposé dans le puits de chauffage électromagnétique.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage électromagnétique est mobile dans le puits de chauffage électromagnétique. Selon un mode de réalisation, la ligne coaxiale rayonnante comprend un conducteur interne et un conducteur externe interrompu par une pluralité de fenêtres isolantes.
L'invention concerne également un procédé d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine, comprenant :
- le chauffage électromagnétique de la formation souterraine au moyen d'au moins un dispositif de chauffage électromagnétique disposé dans la formation souterraine, et comprenant une ligne coaxiale rayonnante ; et
- le prélèvement des hydrocarbures dans la formation souterraine et le transport des hydrocarbures vers la surface.
Selon un mode de réalisation, le chauffage électromagnétique de la formation souterraine est effectué par induction et / ou par rayonnement.
Selon un mode de réalisation, le procédé susmentionné comprend également :
- le chauffage de la formation souterraine par injection de vapeur d'eau dans la formation souterraine ; ou
- la production de vapeur d'eau dans la formation souterraine par injection d'eau et chauffage électromagnétique de l'eau, et le chauffage de la formation souterraine par la vapeur d'eau produite.
Selon un mode de réalisation, le procédé susmentionné est mis en œuvre dans une installation telle que décrite ci-dessus.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l'état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un procédé et une installation de chauffage électromagnétique de formation souterraine plus simples à mettre en œuvre et plus flexibles. En particulier, le procédé et l'installation selon l'invention peuvent être mis en œuvre dans une large gamme de fréquences, que ce soit dans le domaine de l'induction ou du rayonnement. Ainsi, l'invention permet de s'adapter aisément à tout type de formation souterraine.
Cela est accompli grâce à l'utilisation d'un dispositif de chauffage électromagnétique in situ comprenant une ligne coaxiale rayonnante.
Selon certains modes de réalisation particuliers, l'invention présente également une ou de préférence plusieurs des caractéristiques avantageuses énumérées ci-dessous.
- On peut prévoir que les puits de chauffage électromagnétique assurent également une fonction de production d'hydrocarbures. Cela permet d'optimiser le rendement et également de réguler la pression de fond à une valeur acceptable, notamment en début de chauffage de la formation souterraine, l'eau irréductible de la formation souterraine se vaporisant, ce qui peut conduire à une montée en pression avant le début de la production par les puits de production.
- Lorsque la formation souterraine est chauffée uniquement par chauffage électromagnétique, on évite la forte consommation d'eau qui est nécessitée par les procédés de type SAGD. De plus, la quantité d'eau produite en mélange avec les hydrocarbures est réduite, ce qui permet de diminuer le traitement en surface et de produire des hydrocarbures de meilleure qualité.
- Alternativement, il est possible de procéder à un chauffage à la vapeur en complément du chauffage électromagnétique, en utilisant les mêmes puits de chauffage. Ainsi on peut optimiser le chauffage de la formation souterraine.
- La pénétration de l'énergie électromagnétique à l'intérieur du réservoir par induction et une autorégulation naturelle par la vaporisation de l'eau irréductible permettent de ne pas avoir à monter à une température très élevée puis à attendre la propagation de la chaleur par conduction thermique ou convection, et ce afin d'atteindre une température élevée dans les zones éloignées du site de chauffage.
- L'invention permet d'utiliser une géométrie de forage classique, avec des puits comprenant une partie essentiellement verticale de la surface vers le fond, et une partie essentiellement horizontale en fond. Ainsi, la faisabilité industrielle de l'invention est nettement supérieure à celle des systèmes nécessitant des forages en U, tels que décrits par exemple dans le document WO 2008/098850.
- Lorsque les parties essentiellement horizontales du ou des puits de chauffage électromagnétique forment un angle proche de 90° avec les parties essentiellement horizontales du ou des puits de production, on limite le chauffage des puits de production. Cela peut permettre d'utiliser des puits de production conventionnels, équipés d'un cuvelage métallique. Plus particulièrement, il peut être avantageux d'utiliser un angle légèrement d ifférent de 90° , afin de générer toutefois u n certa in chauffag e supplémentaire (optimisé) à proximité des puits de production. Ainsi on amél iore l'écoulement à proximité des puits producteurs et on peut notamment limiter les dépôts de paraffines aux abords des puits producteurs. Ce chauffage supplémentaire peut également permettre un upgrading in situ. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La figure 1 représente de manière schématique un mode de réalisation de l'installation d'extraction d'hydrocarbures selon l'invention. Les figures 2 et 3 représentent de manière schématique des modes de réalisation de dispositifs de chauffage électromagnétique utilisés dans l'installation selon l'invention.
La figure 4 représente un détail d'un dispositif de chauffage électromagnétique utilisé dans l'installation selon l'invention.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Installation selon l'invention
En faisant référence à la figure 1 , une installation d'extraction d'hydrocarbures selon l'invention comprend des moyens de prélèvement d'hydrocarbures disposés dans une formation souterraine 1 , au moins un générateur 5 et au moins un puits de chauffage électromagnétique 2 dans la formation souterraine 1 .
En général, les moyens de prélèvement d'hydrocarbures sont compris (en tout ou partie) dans un ou plusieurs puits de production 6 dans la formation souterraine 1 .
De manière générale, la formation souterraine 1 comprend des hydrocarbures ou comprend un matériau (matières organiques) susceptible d'être converti en hydrocarbures par transformation physique ou chimique. La formation 1 peut par exemple être sableuse, arg ileuse ou carbonatée. Il peut s'ag ir d'un réservoir comprenant tout type d'hydrocarbures gazeux ou liquides, y compris gaz naturel, bitume, huiles lourdes, huiles mobiles et huiles conventionnelles. La formation 1 peut également comprendre des schistes bitumineux, des sables bitumineux, des hydrates de méthane ou du gaz adsorbé sur de l'argile. Il peut également s'agir d'un gisement de charbon.
De préférence, l'installation comprend une pluralité de puits de production 6 qui peuvent être par exemple alignés. De préférence, l'installation comprend une pluralité de puits de chauffage électromagnétique 2, qui peuvent être par exemple alignés. Les puits de production 6 sont destinés à extraire les hydrocarbures contenus dans la formation souterraine 1 (éventuellement en mélange avec de l'eau, des matières solides et autres contaminants), tandis que les puits de chauffage électromagnétique 2 sont principalement destinés à opérer un chauffage in situ de la formation souterraine 1 afin de mobiliser les hydrocarbures.
Lorsque plusieurs puits de production 6 sont présents, on prévoit une conduite de collecte 9 adaptée à récupérer les hydrocarbures extraits des divers puits de production 6. II est possible de prévoir que les puits de chauffage électromagnétique 2 comprennent une partie des moyens de prélèvement d'hydrocarbures, c'est-à-dire assurent également une fonction de production (extraction) d'hydrocarbures. Dans ce cas, on prévoit une conduite de collecte supplémentaire 10 adaptée à récupérer les hydrocarbures extraits des divers puits de chauffage électromagnétique 2. De préférence, cette conduite de collecte supplémentaire 10 débouche dans la conduite de collecte 9 principale.
Il est également possible de prévoir q ue seuls les pu its de chauffage électromagnétique 2 assurent la fonction de production d'hydrocarbures, c'est-à-dire forment les moyens de prélèvement d'hydrocarbures susmentionnés. Dans ce cas, aucun puits de production 6 n'est présent. Toutefois, il est préféré que l'installation comprenne à la fois des puits de chauffage électromagnétique 2 et des puits de production 6 afin de permettre une meilleure exploitation de la formation souterraine 1 .
Chaque puits de chauffage électromagnétique 2 comprend un dispositif de chauffage électromagnétique qui sera décrit plus en détail ci-dessous. Le dispositif de chauffage électromagnétique est alimenté par un générateur 5. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 1 , chaque dispositif de chauffage électromagnétique (dans chaque puits de chauffage électromagnétique 2) est doté d'un générateur 5 propre. Il est toutefois également possible de prévoir un générateur unique pour alimenter plusieurs dispositifs de chauffage électromagnétique (dans plusieurs puits de chauffage électromagnétique 2). En outre, chaque générateur 5 peut être disposé à la surface, comme ce qui est illustré à la figure 1 , mais il peut également être disposé au moins en partie sous terre, dans le puits de chauffage électromagnétique 2, ainsi que cela sera détaillé ci-dessous.
Chaque puits de chauffage électromagnétique 2 et chaque puits de production
6 peut être vertical, essentiellement vertical, incliné ou comprendre des portions d'inclinaisons différentes. En particulier, chaque puits peut comprendre une partie horizontale ou essentiellement horizontale.
Sel on u n mod e d e réa l i sat ion préféré , ch aq u e pu its d e ch a uffag e électromagnétique 2 comprend une portion essentiellement verticale 3 et une portion essentiellement horizontale 4. Toujours selon un mode de réalisation préféré, chaque puits de production 6 comprend une portion essentiellement verticale 7 et une portion essentiellement horizontale 8. De préférence, la portion essentiellement verticale de chaque puits est celle qui relie la surface à une zone d'intérêt de la formation souterraine 1 ; et la portion essentiellement horizontale de chaque puits est située en profondeur, et traverse avantageusement une ou plusieurs zones de la formation souterraine 1 riches en hydrocarbures. Dans le cadre de la présente demande, « essentiellement horizontal » signifie « formant un angle inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°, de manière plus particulièrement préférée inférieur ou égal à 5°, par rapport au plan horizontal ».
Dans le cadre de la présente demande, « essentiellement vertical » signifie
« formant un angle inférieur ou égal à 20°, de préférence inférieur ou égal à 10°, de manière plus particulièrement préférée inférieur ou égal à 5°, par rapport à la direction verticale ».
La présence de portions essentiellement horizontales dans les puits permet d'optimiser l'exploitation de la formation souterraine.
Selon un mode de réalisation préféré, les portions essentiellement horizontales 4 des puits de chauffage électromagnétique 2 sont disposées au-dessus des portions essentiellement horizontales 8 des puits de production 6. Cette configuration permet d'optimiser la récupération des hydrocarbures. En effet, lorsque l'installation est en fonctionnement, chaque puits de chauffage électromagnétique 2 produit une zone de chauffage 1 1 dans la formation souterraine 1 , entourant le puits de chauffage électromagnétique 2. Selon un mode de réalisation préféré, seule la portion essentiellement horizontale 4 des puits de chauffage électromagnétique 2 contribue à chauffer la formation souterraine 1 , et la zone de chauffage 1 1 entoure donc alors la portion essentiellement horizontale 4 de chaque puits de chauffage électromagnétique 2. Dans la zone de chauffage 1 1 , les hydrocarbures mobilisés ont tendance à s'enfoncer sous l'effet de la gravité et sont donc facilement récupérés par les portions essentiellement horizontales 8 des puits de production, situées à une position inférieure.
A titre d'exemple, une configuration particulièrement optimale est celle qui est représentée sur la figure 1 , dans laquelle la zone de chauffage 1 1 présente une hauteur H/2 de part et d'autre de la portion essentiellement horizontale 4 de chaque puits de chauffage électromagnétique 2 (ce qui équivaut à une hauteur totale H de la zone de chauffage 1 1 ), et la portion essentiellement horizontale 8 de chaque puits de production 6 est située à une distance H/10 de la limite inférieure de la zone de chauffage 1 1 , et donc à une distance 9H/10 de la limite supérieure de la zone de chauffage 1 1 .
Les portions essentiel lem ent horizonta les 4 des pu its de cha uffage électromagnétique 2 peuvent être essentiellement alignées avec les portions essentiellement horizontales 8 des puits de production 6. Toutefois, selon le mode de réalisation préféré qui est représenté à la figure 1 , les premières forment avec les secondes, dans le plan horizontal, un angle non nul et en particulier un angle compris entre 60 et 120°, de préférence entre 70 et 110°, de manière plus particulièrement préférée entre 80 et 100° et notamment voisin de 90°. Ainsi, on limite le chauffage des puits de production 6. Cela peut permettre d'utiliser des puits de production 6 conventionnels, équipés d'un cuvelage métallique.
Selon un mode de réalisation particulier, on choisit un angle légèrement différent de 90°, afin de générer toutefois un certain chauffage supplémentaire (optimisé) à proximité des puits de production 6. Ainsi on améliore l'écoulement à proximité des puits de production 6 et on peut notamment limiter les dépôts de paraffines aux abords des puits de production 6. Ce chauffage supplémentaire peut également permettre un upgrading in situ.
De préférence, chaque puits de chauffage électromagnétique 2 et / ou chaque puits de production 6 présente une extrémité dans la formation souterraine 1 (l'autre extrémité étant à la surface). En d'autres termes, il est préféré que les puits ne débouchent pas à leurs deux extrémités à la surface : cela simplifie considérablement les opérations de forage et permet de minimiser les pertes électriques dans les morts terrains.
Dispositif de chauffage électromagnétique selon l'invention
En faisant référence aux figures 2 et 3, une partie d'un dispositif de chauffage électromagnétique 100 disposé dans un puits de chauffage électromagnétique 2 est formée par une ligne coaxiale rayonnante 106.
Par « ligne coaxiale rayonnante », également connue sous le nom de « ligne coaxiale à fuites », on entend une ligne de transport du courant électrique comprenant au moins deux conducteurs coaxiaux et susceptible de fournir de l'énerg ie électromagnétique à l'environnement par rayonnement ou par induction. Une ligne coaxiale rayonnante est décrite par exemple dans la demande US 2001/054945.
De préférence, une partie du dispositif de chauffage électromagnétique 100 est formée par une ligne coaxiale de transmission 105.
Par « ligne coaxiale de transmission », on entend une ligne de transport du courant électrique comprenant au moins deux conducteurs coaxiaux et minimisant les pertes d'énergie électromagnétique dans l'environnement.
La ligne coaxiale rayonnante 106 tout comme la ligne coaxiale de transmission 105 comprennent de préférence un conducteur externe 103 et un conducteur interne 104, séparés par une zone isolante. Le conducteur externe 103 (respectivement le conducteur interne 104) de la ligne coaxiale rayonnante 106 peut donc être en continuité avec celui de la ligne coaxiale de transmission 105, c'est-à-dire former avec celui-ci un même élément conducteur. La différence entre la ligne coaxiale rayonnante 106 et la ligne coaxiale de transmission 105 provient de la présence de fenêtres isolantes 107 sur la ligne coaxiale rayonnante 106. Ainsi, le conducteur externe 103 de la ligne coaxiale rayonnante 106 est interrompu par des fenêtres isolantes 107. Au niveau de ces fenêtres isolantes 107, le champ électromagnétique est susceptible de rayonner à l'extérieur du câble coaxial, ce qui permet in fine un chauffage du réservoir.
Ces fenêtres isolantes 107 sont de préférence en un matériau assurant des pertes diélectriques minimales, par exemple en alumine ou en ciment. Leurs tailles et leur espacement sont déterminés pour permettre l'émission électromagnétique, sous forme d'induction, de rayonnement ou de courant capacitif, sur un large spectre de fréquences donné.
En revanche, dans la ligne coaxiale de transmission 105, le conducteur externe 103 n'est pas interrompu. Il n'y a pas d'émission d'énergie du câble coaxial vers les morts terrains.
Ainsi, grâce à ce dispositif simple à mettre en œuvre, les fuites d'énergie électromagnétique dans l'environnement sont minimisées dans la ligne coaxiale de transmission 105 et sont maximisées ou optimisées dans la ligne coaxiale rayonnante 106.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de chauffage électromagnétique 100 comprend la ligne coaxiale de transmission 105 dans la portion essentiellement verticale 3 du puits de chauffage électromagnétique 2, et la l igne coaxiale rayonnante 106 dans la portion essentiellement horizontale 4 du puits de chauffage électromagnétique 2. Cette configuration est particulièrement utile pour utiliser efficacement l'énergie électromagnétique pour le chauffage des zones de la formation souterraine 1 riches en hydrocarbures (traversées par les portions essentiellement horizontales 4 des puits de chauffage électromagnétique 2) tout en minimisant les pertes énergétiques pour la traversée de terrains dépourvus d'hydrocarbures (morts terrains).
D'autres configurations plus complexes peuvent être utiles selon les cas. Par exemple, si la portion essentiellement horizontale 4 du puits de chauffage électromagnétique 2 traverse à la fois des zones de formation souterraine 1 riches en hydrocarbures et des zones de formation souterraine 1 pauvres en hydrocarbures, il peut être avantageux de disposer en alternance des segments de ligne coaxiale rayonnante 106 (au voisinage des zones riches en hydrocarbures) et des segments de l ig ne coaxiale de transm ission 1 05 (au voisinage des zones pauvres en hydrocarbures), toujours afin de limiter les pertes inutiles d'énergie électromagnétique. Le conducteur externe 103 et le conducteur interne 104 sont séparés par une zone isolante. Selon un mode de réalisation avantageux (représenté à la figure 4), cette zone isolante est constituée par des éléments isolants glissants 111 entre les deux conducteurs 103, 104, tels que des skis d'alumine. Cela facilite grandement les opérations de mise en place de l'installation selon l'invention. En effet, le conducteur externe 103 peut être mis en place en premier, puis le conducteur interne 104 peut être glissé à l'intérieur du conducteur externe 103, et maintenu à distance constante du celui-ci. Les éléments isolants glissants 1 1 1 peuvent être soudés ou collés directement à l'un ou l'autre des conducteurs 103, 104.
L'alimentation électrique du dispositif de chauffage électromagnétique 100 est assurée par le générateur 5 décrit ci-dessus.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 2, il s'agit d'un générateur haute fréquence 101 situé en surface. Ce générateur haute fréquence 101 produit un signal électrique à une fréquence comprise entre environ 1 kHz et environ 10 GHz. En général, le générateur haute fréquence 101 fonctionne à une fréquence déterminée, selon la réglementation internationale en vigueur. Un système d'adaptation d'impédance 102 est prévu en sortie du générateur haute fréquence 101 afin d'éviter les réflexions trop importantes de la charge vers le générateur. Ce mode de réalisation est simple à mettre en œuvre car la présence de générateurs haute fréquence en surface est classique et ne nécessite pas d'adaptation complexe.
Dans cette configuration, les deux bornes du générateur sont rel iées respectivement au conducteur externe 103 et au conducteur interne 104 de la ligne coaxiale de transmission 105. A l'extrémité de la ligne coaxiale rayonnante 106, on prévoit des éléments de court-circuit 108 (entre le conducteur externe 103 et le conducteur interne 104) afin de boucler le circuit électrique.
Alternativement, on peut prévoir comme ligne coaxiale rayonnante 106 un système de coaxial ré-entrant, qui permet également de boucler le circuit électrique. Dans un tel système (non représenté), le conducteur externe 103 est connecté, à l'extrémité de la ligne coaxiale rayonnante 106, à un conducteur de retour qui est situé à l'intérieur du conducteur interne 104. Une borne du générateur est alors reliée au conducteur externe 103, et l'autre borne au conducteur de retour.
Dans les deux cas, l'architecture des puits est simple à mettre en œuvre puisqu'il ne s'agit pas de puits en U. La présence de court-circuit à l'extrémité ou la configuration ré-entrante permettent d'éviter que l'extrémité de la ligne coaxiale rayonnante 106 ne rayonne comme le reste de la ligne coaxiale rayonnante 106 (c'est-à-dire comme la longueur de celle-ci). Ainsi, on évite de chauffer une partie de la formation souterraine dépourvue d'hydrocarbures, et on augmente donc l'efficacité du chauffage.
De plus, ces deux architectures permettent d'une part une meilleure adaptation entre le générateur et la ligne coaxiale rayonnante et d'autre part un fonctionnement soit en rayonnement, en induction ou par induction de courant capacitif selon le choix de la fréquence. Cette dernière est choisie suivant les propriétés électriques du réservoir.
Alternativement, selon le mode de réalisation illustré à la figure 3, le générateur
5 comprend deux parties, à savoir un générateur de surface 109 et un générateur haute fréquence 110 situé dans le puits de chauffage électromagnétique 2. Le générateur haute fréquence 110 est alimenté par le générateur de surface 109, qui fournit un courant unidirectionnel, tel qu'un courant continu ou un courant redressé.
Alternativement, il peut s'agir d'un courant alternatif basse fréquence, un système redresseur étant alors prévu dans le puits. Le courant peut être transmis entre le générateur de surface 109 et le générateur haute fréquence 110 par un câblage bifilaire ou triphasé, ou, avantageusement, au moyen de la ligne coaxiale de transmission 105 décrite ci-dessus, comme cela est représenté sur la figure 3.
Le générateur haute fréquence 110 est adapté à produire un signal électrique à une fréquence comprise entre environ 1 kHz et environ 10 GHz. Avantageusement, ce générateur haute fréquence 110 comprend un tube à vide et est notamment du type triode. La demande française n° FR 08/04694 déposée le 26 août 2008 par Total S.A. contient la description complète d'un générateur haute fréquence disposé dans un puits, et l'homme du métier pourra s'y référer.
Le mode de réalisation de la figure 3 présente l'avantage de s'affranchir des limitations réglementaires de fréquence en surface. Ainsi, il est possible d'adapter la fréquence de l'émission électromagnétique aux caractéristiques de la formation souterraine 1 , et également de faire varier la fréquence de cette émission au cours de l'exploitation, les caractéristiques de la formation souterraine 1 pouvant évoluer.
A l'extrémité du dispositif de chauffage électromagnétique 100 (située à l'extrémité du puits de chauffage électromagnétique 2 qui est disposée dans la formation souterraine 1 ), on prévoit des éléments de court-circuit 108 afin de boucler le circuit électrique. Alternativement, on peut prévoir un système de coaxial ré-entrant.
Selon un mode de réalisation particulier, le puits de chauffage électromagnétique 2 comporte également des moyens de prélèvement d'hydrocarbures et / ou des moyens d'injection d'eau ou de vapeur d'eau dans la formation souterraine 1 . Dans ce cas la circulation des hydrocarbures, de l'eau ou de la vapeur d'eau s'effectue de préférence dans la partie centrale du dispositif de chauffage électromagnétique 100, c'est-à-dire à l'intérieur du conducteur interne 104.
Les moyens d'injection d'eau ou de vapeur d'eau peuvent également être remplacés par des moyens d'injection de tout autre type de fluide auxiliaire, par exemple solution aqueuse ou fluide supercritique (notamment CO2).
Le conducteur externe 103 et le conducteur interne 104 peuvent être de métallurgie identique aux cuvelages et tubages utilisés dans des puits de production classiques. Le conducteur externe 103 présente de préférence des caractéristiques mécaniques qui assurent la tenue du dispositif de chauffage électromagnétique 100.
Au niveau de la ligne coaxiale rayonnante 106, le conducteur externe 103 partiellement interrompu par les fenêtres isolantes 107 peut être entouré d'une couche de protection, transparente au rayonnement électromagnétique haute fréquence et stable à température élevée. Cette couche de protection peut par exemple être formée de ciment ou mortier, ou encore de gravier calibré (pouvant servir de filtre à l'entrée en cas de prélèvement d'hydrocarbures dans le puits de chauffage électromagnétique 2) ou de crépine métallique. On évite d'utiliser une couche de protection en matériau composite peu résistant à des températures élevées.
Alternativement, pour la ligne coaxiale rayonnante 106, on peut se dispenser de toute couche de protection autour du conducteur externe 103, auquel cas le conducteur externe 103 est directement en contact avec la formation souterraine 1 (configuration dite en « open hole »). Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de chauffage électromagnétique 100 est mobile dans le puits de chauffage électromagnétique 2, par exemple grâce à un montage coulissant (en utilisant des guides de coulissement en alumine ou autres). Ainsi, il est possible d'effectuer des mouvements de translation du dispositif de chauffage électromagnétique 100 selon l'axe du puits 2.
En faisant effectuer des mouvements alternatifs lents au dispositif de chauffage électromagnétique 100, on assure une émission électromagnétique plus uniforme et plus étendue dans la formation souterraine 1 , et on accroît ainsi la mobilisation des huiles. De tels mouvements permettent d'obtenir un profil thermique adapté à la récupération.
Procédé d'extraction d'hydrocarbures selon l'invention
Le procédé de l'invention permet d'extraire des hydrocarbures contenus dans la formation souterraine 1.
On entend par « hydrocarbures » les composés chimiques contenant exclusivement des atomes de carbone et d'hydrogène. Les hydrocarbures extraits peuvent être liquides ou gazeux. Ils peuvent préexister dans la formation souterraine avant leur prélèvement, ou bien être obtenus par :
- upgrading à partir d'hydrocarbures plus lourds présents dans la formation souterraine ;
- conversion à partir de matières organiques (notamment charbon ou schistes bitumineux) présents dans la formation souterraine.
Le cas échéant, l'upgrading et / ou la conversion sont obtenus in situ au moins en partie par le chauffage de la formation souterraine selon l'invention.
Par « upgrading » on entend tout processus connu dans le domaine pétrolier / gazier pour modifier la qualité des hydrocarbures (notamment huiles) et en particulier pour rendre les hydrocarbures plus valorisâmes. Le terme d'upgrading recouvre en particulier tout procédé de transformation chimique permettant d'obtenir des hydrocarbures plus légers que les hydrocarbures initialement présents dans la formation souterraine. L'upgrading permet notamment de faciliter la production des hydrocarbures dans le réservoir, ou encore de faciliter le transport des hydrocarbures en surface.
Par « conversion », on entend tout processus de transformation de matières organiques en hydrocarbures, notamment la pyrolyse des schistes bitumineux en hydrocarbures.
Par « matières organiques », on entend des matériaux comprenant des substances ayant essentiellement une structure à base de carbone, et comportant des composés hydrocarbonés et leurs dérivés.
Le procédé d'extraction selon l'invention comprend le chauffage électromagnétique de la formation souterraine 1 au moyen du ou des dispositifs de chauffage électromagnétiques 100 ; et le prélèvement des hydrocarbures dans la formation souterraine 1 et leur transport vers la surface. Le prélèvement des hydrocarbures s'effectue de préférence principalement dans les puits de production 6, et / ou éventuellement dans les puits de chauffage électromagnétique 2.
Le chauffage électromagnétique s'effectue par émission électromagnétique au niveau de la ligne coaxiale rayonnante. L'émission électromagnétique se traduit principalement sous forme de rayonnement aux fréquences les plus élevées (de l'ordre de 500 kHz environ jusqu'à 10 GHz environ) ou principalement sous forme d'induction aux fréquences les moins élevées (de l'ordre de 1 kHz environ jusqu'à 500 kHz environ).
Le choix du chauffage par induction ou par rayonnement dépend principalement de la nature de la formation souterraine 1. Si la formation souterraine 1 présente une forte conductivité électrique (par exemple en raison de la présence d'argiles fortement conductrices), il est préférable d'utiliser l'induction. En revanche si la formation souterraine 1 présente une faible conductivité électrique, il est préférable d'utiliser le rayonnement.
Le chauffage de la formation souterraine 1 peut être effectué uniquement par transmission directe d'énergie électromagnétique à la formation souterraine 1 et aux matériaux qui la composent. Mais il peut également être complété par une injection de vapeur d'eau (de manière classique), de préférence via les puits de chauffage électromagnétique 2 eux-mêmes ; ou encore par une injection d'eau, de préférence via les puits de chauffage électromagnétique 2 eux-mêmes, l'eau étant vaporisée in situ grâce au chauffage électromagnétique.
Il est également possible d'utiliser à la place de l'eau ou de la vapeur d'eau tout autre fluide auxiliaire (tel que décrit ci-dessus), qui est réchauffé et éventuellement vaporisé in situ. Le fluide auxiliaire sous forme liquide dispersé dans la formation est notamment susceptible de capter le rayonnement électromagnétique émis par le dispositif de chauffage électromagnétique 100. La vapeur produite est dispersée dans la formation 1 , elle s'infiltre dans la roche, puis, en se refroidissant (en cédant notamment de la chaleur aux hydrocarbures de la formation), redevient liquide. Ainsi, le fluide auxiliaire permet d'accroître l'efficacité du chauffage de la formation 1 .
L'invention permet d'atteindre une température de plus de 2000C dans la formation souterraine 1 , de préférence de pl us de 3000C, de man ière pl us particulièrement préférée de plus de 350°C, et par exemple d'environ 4000C. L'absence (préférée) de matériau composite fragile au niveau des différents puits rend de telles températures supportables par l'installation et avantageuses en terme d'exploitation de la formation souterraine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation d'extraction d'hydrocarbures contenus dans une formation souterraine (1 ), comprenant :
- des moyens de prélèvement d'hydrocarbures ;
- au moins un générateur (5) ;
- au moins un puits de chauffage électromagnétique (2) dans la formation souterraine (1 ), comprenant un dispositif de chauffage électromagnétique (100) connecté au générateur (5) ;
dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique (100) comprend une ligne coaxiale rayonnante (106) et le puits de chauffage électromagnétique (2) présente une extrémité dans la formation souterraine (1 ), le dispositif de chauffage électromagnétique (100) étant court-circuité ou ré-entrant à ladite extrémité.
2. Installation selon la revendication 1 , comprenant au moins un puits de production (6), de préférence une pluralité de puits de production (6), dans la formation souterraine (1 ), lesdits puits de production (6) comprenant au moins une partie des moyens de prélèvement d'hydrocarbures.
3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle :
- le puits de chauffage électromagnétique (2) comprend une portion essentiellement verticale (3) et une portion essentiellement horizontale (4) ;
- le puits de production (6) comprend une portion essentiellement verticale (7) et une portion essentiellement horizontale (8) ;
- la portion essentiellement horizontale (4) du puits de chauffage électromagnétique étant disposée au-dessus de la portion essentiellement horizontale (8) du puits de production ; et
- la portion essentiel lement horizontale (4) du pu its de chauffage électromagnétique formant avec la portion essentiellement horizontale (8) du puits de production, dans le plan horizontal, un angle compris entre 60 et 120°, de préférence entre 70 et 1 10°, de manière plus particulièrement préférée entre 80 et 100°, ledit angle étant idéalement différent de 90°.
4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique (1 00) comprend une l igne coaxiale de transmission (105).
5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle le puits de chauffage électromagnétique (2) comprend une portion essentiellement verticale (3) et une portion essentiellement horizontale (4), au moins une partie de la ligne coaxiale de transmission (105) étant disposée dans la portion essentiellement verticale (3), et a u moins une partie, de préférence la totalité, de la l igne coaxiale rayonnante (106) étant disposée dans la portion essentiellement horizontale (4).
6. Installation selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique (100) comprend un conducteur externe (103), un conducteur interne (104) et des éléments isolants glissants (1 1 1 ) entre le conducteur externe (103) et le conducteur interne (104).
7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle le puits de chauffage électromagnétique (2) comprend également au moins une partie des moyens de prélèvement d'hydrocarbures.
8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le puits de chauffage électromagnétique (2) comprend des moyens d'injection d'eau ou de vapeur d'eau dans la formation souterraine (1 ).
9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, dans laquelle le générateur (5) comprend un générateur haute fréquence (1 10) disposé dans le puits de chauffage électromagnétique (2).
10. Installation selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle le dispositif de chauffage électromagnétique (100) est mobile dans le pu its de chauffage électromagnétique (2).
11. Installation selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle la ligne coaxiale rayonnante (106) comprend un conducteur interne (104) et un conducteur externe (103) interrompu par une pluralité de fenêtres isolantes (107).
12. Procédé d'extraction d'hydrocarbures dans une formation souterraine, comprenant :
- le chauffage électromagnétique de la formation souterraine au moyen d'au moins un dispositif de chauffage électromagnétique disposé dans la formation souterraine, et comprenant une ligne coaxiale rayonnante ; et
- le prélèvement des hydrocarbures dans la formation souterraine et le transport des hydrocarbures vers la surface ;
le procédé étant mis en œuvre dans une installation selon l'une des revendications 1 à 11.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le chauffage électromagnétique de la formation souterraine est effectué par induction et / ou par rayonnement.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, comprenant également :
- le chauffage de la formation souterraine par injection de vapeur d'eau dans la formation souterraine ; ou
- la production de vapeur d'eau dans la formation souterraine par injection d'eau et chauffage électromagnétique de l'eau, et le chauffage de la formation souterraine par la vapeur d'eau produite.
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