WO2017109334A1 - Appareil de regulation de pression d'injection dans la recuperation assistee du petrole - Google Patents
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- E21B34/00—Valve arrangements for boreholes or wells
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Definitions
- Enhanced oil recovery (RAP) by injection of viscous polymer solutions is developing with some difficulties due to the potential for mechanical degradation of the polymer.
- the polymers used in particular the polyacrylamides, undergo a degradation of the molecular weight when subjected to shearing. This effect is all the more important as the molecular weight is high and the polymer concentration is low.
- An oil field comprises between 10 wells and several thousand water injection wells in secondary recovery, the primary being the autogenous production of oil.
- a stock solution usually concentrated to 0.5 to 2% of very high molecular weight polymer is first prepared.
- This solution is then distributed at 50-2000 parts per million to be injected by various methods.
- the stock solution and the low pressure water are pumped by a high pressure displacement pump at such a rate that the pressure of the well is maintained;
- the water and the polymer are mixed at high pressure with the final pressure, this solution passing through a calibrated tube of adaptable length creating the necessary pressure drop without degrading the polymer.
- the degradation for pressure differences of 50 bar, the speed of the solution with a usual concentration of 1000-2000 ppm and a molecular weight of 20 million should not exceed about 11 m / sec (US Patent 2015 / 0041143);
- the mixture can also be passed through a positive displacement pump, for example a gear pump, whose speed and therefore the flow rate are controlled by a hydraulic or electric brake.
- a positive displacement pump for example a gear pump, whose speed and therefore the flow rate are controlled by a hydraulic or electric brake.
- US 3,477,467 A discloses a controlled pressure reduction apparatus with a minimum of shear. It consists of two linear tubes each provided with a pressure gauge. These two tubes are separated by additional nonlinear piping, which is equipped with an ON / OFF valve. This intermediate pipe is separated by an assembly comprising a fluid collector, which allows the solid particles in the ducts to be retained by means of a screen and which makes it possible to control the dispersion of the solid particles in the ducts by means of a door. It is therefore neither a needle valve nor a gate valve.
- U.S. Patent 4,782,847 includes a needle valve (also referred to as a needle valve) and tube sections with Vortex-effect restrictions. Tests conducted with oil companies on dilute (1000 ppm) low viscosity ( ⁇ 20 cps) solutions with 20 million molecular weight polymers allowed the needle valve to reduce pressure by 7 to 10 bar without further degradation at 2%. The Vortex orifices and the needle valve do not allow a permanent adjustment on a well where the variation in time can be 50 bars. It is therefore necessary to dismantle the system to adapt Vortex sleeves, which is excluded on important fields. US Patent 4,510,993 utilizes a single needle valve or needle compensator system, but has much greater limitations than the above patent. An oil company currently requires:
- a RAP can last from 10 to 20 years
- the Applicant has developed a multiple valve system with cap or needle each separated by straight lengths of tube.
- the subject of the invention is therefore an apparatus for regulating the injection pressure of a polymeric aqueous solution in an oil well, said apparatus consisting of a series of linear tubes each provided with a pressure gauge, each tube being separate by a valve.
- the device is characterized in that the valves are gate valves and / or needle valves.
- the tubes are mounted in series one behind the other and each separated by a gate valve and / or a needle valve.
- the device therefore consists of a continuous succession of linear tubes and gate valves and / or needle valves.
- the intermediate pressure gauges are used to distribute the pressure drops to obtain the minimum degradation. Obviously, this degradation will be a function of the flow rate and it will be necessary to calculate the diameters to not exceed the limit speed of degradation depending on the composition of the solution.
- the length of the linear tubes can be very small, preferably between 10 and 50 centimeters.
- the linear tubes and the valves are made of stainless steels, in particular austenitic-ferritic steels called “superduplex” or austenitic steels hardened on the surface (vacuum nitriding, kolsterisation) having a high mechanical resistance and a strong holding to corrosion.
- austenitic-ferritic steels called “superduplex” of high mechanical strength allows the reduction of erosion due to cavitation of the vortex effect.
- the linear tubes connected to the valves have a greater diameter than the passage of the valve which allows the vortex effect
- the pressure apparatus of the invention contains needle valves, the vortex effect is minimal.
- the valves alone can regulate the injection pressure.
- Salinity of water in particular salts of Na + , Ca 2+ , Mg 2+ which strongly influence the viscosity;
- Tests are absolutely necessary to determine the diameter, the number of linear tubes and the length of the apparatus.
- the apparatus consists for example of 6 successive linear vortex lengths and 5 gate valves, inducing a minor degradation of the polymer.
- the number of valves is between 3 and 20, preferably from 5 to 15.
- the invention also relates to a method for reducing the injection pressure of a polymeric aqueous solution as a function of the pressure of the well implementing the apparatus previously described in an enhanced oil recovery process. More specifically, the method according to the invention comprises the following steps:
- the device can be adjusted to the required pressure with ease, either manually or with the aid of a programmable controller giving the necessary injection value.
- the method makes it possible to obtain a degradation of the viscosity of less than 10%, preferably less than 5%.
- the pressure regulating apparatus according to the invention is preferably positioned downstream of the manifold (manifold).
- manifold manifold
- Figure 1 shows an example of apparatus with gate valves (1) and intermediate pressure gauges (2).
- Figure 2 shows an example of apparatus with needle valves (3) and intermediate pressure gauges (2).
- Example 1
- the pressure of the water pump is 160 bar.
- Well pressures are 130, 125, 120, 110 bar.
- each device can be adjusted to the required pressure with ease, either manually or with the aid of a programmable controller giving the necessary injection value.
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Abstract
Appareil de régulation de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puits de pétrole ledit appareil étant constitué d'une série de tubes linéaires muni chacun d'un manomètre(2), chaque tube étant séparé par une vanne, caractérisé en ce que les vannes sont des vannes à opercule(3)et/ou des vannes à aiguille(1). Procédé pour réduire la pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique en fonction de la pression du puits mettant en œuvre l'appareil
Description
APPAREIL DE REGULATION DE PRESSION D'INJECTION DANS LA RECUPERATION ASSISTEE DU PETROLE
La récupération assistée du pétrole (RAP) par injection de solutions visqueuses de polymère se développe avec certaines difficultés dues au potentiel de dégradation mécanique du polymère.
En effet, les polymères utilisés, en particulier les polyacrylamides, subissent une dégradation du poids moléculaire lorsqu'ils sont soumis à un cisaillement. Cet effet est d'autant plus important que le poids moléculaire est élevé et que la concentration de polymère est faible.
Dans les années 70-80, après le premier choc pétrolier, la RAP s'est développée aux Etats- Unis avec l'utilisation de polymères de poids moléculaires faibles, aux environs de 10 millions de daltons.
Dans les années 90, il y a eu une recherche importante pour augmenter les poids moléculaires pour obtenir des viscosités élevées avec un dosage faible. Aujourd'hui, dans cette application, les poids moléculaires sont supérieurs à 20 millions avec une sensibilité importante à la dégradation mécanique car ils sont injectés à une faible concentration de 50 à 2000 ppm.
Un champ de pétrole comprend entre 10 puits et plusieurs milliers de puits d'injection d'eau en récupération secondaire, la primaire étant la production autogène du pétrole.
Lorsqu'on veut injecter une solution de polymères sur un champ où on injecte de l'eau, on prépare d'abord une solution mère concentrée habituellement à 0,5 à 2% de polymère de très haut poids moléculaire.
Cette solution est ensuite distribuée à 50-2000 parties par million pour être injectée par diverses méthodes.
Habituellement, sur un champ pétrolier, une seule pompe d'injection d'eau alimente plusieurs puits. Mais à cause de l'hétérogénéité des champs, les pressions d'injection sont différentes d'un puits à un autre. Pour cela, on installe à la tête des puits une vanne de contrôle ou de régulation de pression appelée duse (choque). La solution de polymère ne peut passer à travers cette duse sans une dégradation qui augmente avec la perte de charge, d'une manière non proportionnelle à partir de ΔΡ d'environ 20 à 30 bars.
Ces choques de divers types ne permettent pas la réduction de pression nécessaire sur une solution de polymère, sans une dégradation qui devient pratiquement exponentielle lorsque la pression augmente. Pour remédier à ce problème de dégradation, des matériels mécaniques ont été utilisés:
La solution mère et l'eau à faible pression sont pompées par une pompe volumétrique haute pression à un débit tel que la pression du puits soit maintenue ;
On mélange à haute pression l'eau et le polymère à la pression finale, cette solution passant à travers un tube calibré de longueur adaptable créant la perte de charge nécessaire sans dégrader le polymère. Dans cet appareil, la dégradation pour des différences de pression de 50 bars, la vitesse de la solution avec une concentration habituelle de 1000-2000 ppm et un poids moléculaire de 20 millions ne doit pas dépasser environ 11 m/sec (brevet US 2015/0041143) ;
Le mélange peut aussi être passé dans une pompe volumétrique, par exemple à engrenage, dont la vitesse et donc le débit sont gérés par un frein hydraulique ou électrique.
Le document US 3 477 467 A décrit un appareil de réduction contrôlée de pression avec un minimum de cisaillement. Il est constitué de deux tubes linéaires munis chacun d'un manomètre. Ces deux tubes sont séparés par une tuyauterie supplémentaire non linéaire, laquelle est munie d'une vanne ON/OFF. Cette tuyauterie intermédiaire est séparée par un ensemble comprenant un collecteur de fluide, qui permet de retenir les particules solides dans les conduits grâce à un écran et qui permet de contrôler la dispersion des particules solides dans les conduits grâce à une porte. Il ne s'agit donc ni d'une vanne à aiguille, ni d'une vanne à opercule.
Dans les années 80, la société Marathon a déposé deux brevets intéressants sur le principe, mais peu adaptables aux conditions actuelles de champs :
Le brevet US 4.782.847 comporte une vanne à pointeau (également désignée vanne à aiguille) et des sections de tubes avec des restrictions donnant l'effet Vortex. Des essais conduits avec des sociétés pétrolières sur des solutions diluées (1000 ppm) à faible viscosité (< 20 cps) avec des polymères de poids moléculaires 20 millions permettaient à la vanne à aiguille de réduire de 7 à 10 bars la pression sans une dégradation supérieure à 2%. Les orifices Vortex et la vanne à aiguille ne permettent pas un réglage permanent sur un puits où la variation dans le temps peut être de 50 bars. Il faut donc démonter le système pour adapter des manchons Vortex, ce qui est exclu sur des champs importants.
Le brevet US 4.510.993 utilise lui une seule vanne à pointeau ou un système compensateur à aiguille, mais a des limitations bien plus importantes que le brevet ci- dessus. Une société pétrolière exige actuellement :
Une dégradation à 50 bars de 10% maximum de la viscosité (parfois 5%) ;
Sur des viscosités de l'ordre de 3 à 30 cps beaucoup plus dégradables que des solutions concentrées ;
Avec des concentrations de polymère de 50 à 2000 ppm donnant des viscosités très variables à cause de l'effet de la salinité sur la viscosité.
Aujourd'hui, on traite des champs à plus de 50000 ppm de NaCl :
Avec un matériel ne demandant pas de démontage durant des années (un RAP peut durer de 10 à 20 ans) ;
- La variation de pression pouvant se faire d'une manière très simple en tête de puits ;
Et une variation de pression sur un puits d'au minimum 50 bars.
Ce sont des conditions qui n'existaient pas dans les années 80 et il serait illusoire aujourd'hui d'utiliser une vanne à aiguille ou une vanne à piston et aiguille en ligne comme décrit dans le brevet USP 4.553.594.
Pour pallier aux problèmes de l'art antérieur, le Demandeur a mis au point un système à vannes multiples à opercule ou à pointeau séparées chacune par des longueurs droites de tube. L'invention a donc pour objet un appareil de régulation de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puits de pétrole, ledit appareil étant constitué d'une série de tubes linéaires muni chacun d'un manomètre, chaque tube étant séparé par une vanne.
Le dispositif se caractérise en ce que les vannes sont des vannes à opercule et/ou des vannes à aiguille.
En d'autres termes, les tubes sont montés en série les uns derrière les autres et séparés chacun par une vanne à opercule et/ou une vanne à aiguille. Le dispositif consiste donc en une succession continue de tubes linéaires et de vannes à opercule et/ou de vannes à aiguille.
Les manomètres intermédiaires servent à répartir les pertes de charge pour obtenir la dégradation minimum. Evidemment, cette dégradation sera fonction du débit et il faudra calculer les diamètres pour ne pas dépasser la vitesse limite de dégradation en fonction de la composition de la solution.
La longueur des tubes linaires peut être très faible comprise de préférence entre 10 et 50 centimètres.
En pratique, les tubes linéaires et les vannes sont réalisés en aciers inoxydables, en particulier en aciers austéno-ferritiques dits « superduplex » ou aciers austénitiques durcis en surface (nitruration sous vide, kolsterisation) présentant une résistance mécanique élevée ainsi qu'une forte tenue à la corrosion. L'utilisation des aciers austéno-ferritiques dits « superduplex » de forte résistance mécanique permet la diminution de l'érosion due à la cavitation de l'effet vortex.
Lorsque l'appareil de pression de l'invention contient des vannes à opercule, les tubes linéaires reliés aux vannes ont un diamètre plus important que le passage de la vanne ce qui permet l'effet vortex Lorsque l'appareil de pression de l'invention contient des vannes à aiguille, l'effet vortex est minime. Les vannes à elles seules permettent de réguler la pression d'injection.
Les conditions pour chaque puits de pétrole sont très variables :
Pression d'injection par puits ;
- Réduction de pression nécessaire ;
Différence de pression de l'eau injectée par rapport à la pression du puits ;
Salinité de l'eau, en particulier en sels de Na+, Ca2+, Mg2+ qui influencent fortement la viscosité ;
Température de l'eau ;
- Viscosité à atteindre ;
Dégradation acceptable...
Des essais sont absolument nécessaires pour déterminer le diamètre, le nombre de tubes linéaires et la longueur de l'appareil. Pour éviter la dégradation sur les hautes pertes de charge (50 bars), l'appareil est par exemple constitué de 6 longueurs linéaires successives à effet vortex et de 5 vannes à opercule, induisant une dégradation mineure du polymère.
En pratique, le nombre de vannes est compris entre 3 et 20, de préférence de 5 à 15.
L'invention a également pour objet un procédé pour réduire la pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique en fonction de la pression du puits mettant en œuvre l'appareil précédemment décrit dans un procédé de récupération assistée du pétrole. Plus précisément, le procédé selon l'invention comprend les étapes suivantes :
calculer la réduction de pression ΔΡ nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ;
déterminer par des tests en atelier, le diamètre, le nombre de tubes linéaires et la longueur de l'appareil de régulation de pression au débit spécifique ;
- injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale,
régler la perte de charge par tube linéaire et vanne associée en effectuant une mesure de pression à chaque tube linéaire au moyen du manomètre et en équilibrant ladite perte de charge entre les tubes linéaires à l'aide des différentes vannes. Au fur et à mesure de l'injection, l'appareil peut être ajusté à la pression nécessaire avec facilité, soit manuellement, soit à l'aide d'un automate programmable donnant la valeur d'injection nécessaire.
Le procédé permet d'obtenir une dégradation de la viscosité inférieure à 10% préférentiellement inférieure à 5%.
L'appareil de régulation de pression selon l'invention est positionné de préférence en aval du collecteur (manifold). L'homme de l'art pourra faire des adaptations de l'appareil et du procédé pour chaque cas particulier. Ainsi, l'homme de l'art pourra combiner les différentes possibilités décrites pour obtenir le résultat désiré. En particulier, la réduction de dégradation pourra être obtenue en augmentant le nombre de vannes pour un même débit, réduisant par la même occasion la perte de charge par vanne.
L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples suivants, à l'appui des figures annexées.
La figure 1 représente un exemple d'appareil avec des vannes à opercules (1) et des manomètres intermédiaires (2).
La figure 2 représente un exemple d'appareil avec des vannes à pointeau (3) et des manomètres intermédiaires (2).
Exemple n° 1
Sur une plateforme d'injection dans 4 puits, la pression de la pompe à eau est de 160 bars. Les pressions de puits sont de 130, 125, 120, 110 bars.
Les essais de laboratoire avec la saumure injectée ont déterminé une concentration de polymère (FLOPAM®) copolymères acrylamide/acrylate de Na de poids moléculaire de 20 millions) de 800 ppm pour une viscosité finale de 21 cps et une viscosité d'huile de 20 cps. Le débit d'injection par puits est de 19 m3/h.
On construit 4 réducteurs de pression constitués de 6 tubes linéaires rectilignes de longueur de 30 cm, de 20 mm de diamètre intérieur séparés par des vannes à opercule de 14 mm de passage. Ces réducteurs sont installés sur les 4 puits et à l'aide des manomètres, on règle le ΔΡ par section à :
Puits à 130 bars : 5 bars ;
Puits à 125 bars : 7 bars ;
Puits à 120 bars : 8 bars ;
- Puits à 110 bars : 10 bars.
Puis, on ajuste finalement la pression d'injection en modifiant légèrement ces valeurs.
Des échantillons sont pris en tête de puits avec un appareil de prélèvement standard API RP63 section 6.4. On constate les dégradations suivantes :
A 130 bars : non mesurable ;
- A 125 bars : très faible ( 1 -2%) ;
- A 120 bars : 2% ;
- A 110 bars : 4%.
Ce qui est tout à fait acceptable.
Au fur et à mesure de l'injection, chaque appareil peut être ajusté à la pression nécessaire avec facilité, soit manuellement, soit à l'aide d'un automate programmable donnant la valeur d'injection nécessaire.
Exemple n°2
Sur les mêmes puits, on installe un réducteur de pression comprenant 5 vannes à pointeau diamètre ½ pouce. Après réglage des pressions, on constate les dégradations suivantes :
A 130 bars : très faible
- A 125 bars : 1 à 2%
- A 120 bars : 3% ;
- A 110 bars : 6%.
Claims
REVENDICATIONS / Appareil de régulation de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puits de pétrole ledit appareil étant constitué d'une série de tubes linéaires muni chacun d'un manomètre (2), chaque tube étant séparé par une vanne, caractérisé en ce que les vannes sont des vannes à opercule (3) et/ou des vannes à aiguille (1). 1 Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en que les vannes sont exclusivement des vannes à opercule (3). / Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en que les vannes sont exclusivement des vannes à aiguille (2). / Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en que la longueur des tubes linaires est comprise entre 10 et 50 centimètres. / Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en que dans le cas de vannes à opercule (3), les tubes linéaires ont une longueur comprise entre 10 et 50 centimètres et ont un diamètre plus important que le passage des vannes. / Appareil selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les tubes linéaires sont réalisés en aciers inoxydables, en particulier en aciers austéno-ferritiques dits « superduplex » ou aciers austénitiques durcis en surface. / Procédé pour réduire la pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique en fonction de la pression du puits mettant en œuvre l'appareil objet de l'une des revendications 1 à 6, dans un procédé de récupération assistée du pétrole. / Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- calculer la réduction de pression nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ;
- déterminer par des tests en atelier, le diamètre, le nombre de tubes linéaires et la longueur de l'appareil de régulation de pression pour le débit à injecter ;
- injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale,
- régler la perte de charge par tube linéaire en effectuant une mesure de pression à chaque tube linéaire et vanne associée au moyen du manomètre et en équilibrant ladite perte de charge entre les tubes linéaires à l'aide des différentes vannes.
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