Brevet FR2039241A1 — publié le 19710115

i. 2039241 La présente invention concerne des procédés de pompage, notamment de pétroles bruts mousseux et des appareils pour leur mise en oeuvre. Un pétrole brut mousseux est un pétrole contenant des gaz sous forme de bulles et dont la densité apparente est par 5 conséquent faible. La présente invention a plus spécialement pour objets un procédé et un appareillage permettant de faire varier la vitesse d'une pompe immergée utilisée pour le pompage de tels liquides mousseux en fonction de la densité apparente du liquide pompé. 10 L'exploitation d'un gisement de pétrole souterrain à l'aide de puits de production passe en général par trois stades : a) un stade de récupération primaire pendant lequel le pétrole remonte dans le puits par sa propre pression et est évacué du puits par cette même pression ou par l'action d'une pompe. Il 15 arrive souvent que du pétrole mousseux s'accumule dans le puits en fin de cette récupération primaire ; b) un stade de récupération secondaire qui commence après que la majeure partie de la pression initiale du pétrole a disparu et pendant lequel un liquide, ou un gaz, est injecté dans la cou- 20 che pétrolifère pour donner au pétrole soit l'énergie, soit la viscosité nécessaires pour qu'il remonte dans le puits. Cette opération peut s'effectuer par injection dans un puits d'un liquide, eau par exemple, qui chasse les fluides de la couche pétrolifère et les fait remonter dans le puits -d'exploitation. Au cours de cette 25 récupération secondaire, il arrive fréquemment que du pétrole mousseux s'accumule dans le puits d'extraction ; c) un stade de récupération tertiaire qui s'effectue par des moyens de divers types et très particuliers, mais au cours duquel, en général, le problème que la présente invention a pour objet de 30 résoudre ne se pose pas avec la même acuité. Un pétrole brut mousseux est en général constitué par un pétrole dans lequel les bulles de gaz se sont formées et dont la densité apparente est faible de ce fait. Cet état de choses est fréquemment dû à la présence dans la couche pétrolifère de gaz naturel 35 qui se dégage spontanément. Du gaz naturel est en général en solution dans le pétrole de toute formation pétrolifère. Mais, pour que ce gaz demeure en solution, il doit être soumis à une certaine pression minimale. Lorsque la pression de sa solution dans le pétrole tombe au-dessous de cette limite, laquelle est souvent appelée 40 "point de bulle", le gaz en solution se dégage sous forme de bulles. 70 13004 2. 2039241 Cette formation de bulles est parfois due au gaz injecté dans la couche pétrolifère en vue d'en accroître la pression. L'expérience a montré que le moussage du pétrole brut ne pose en général pas de problème dans les débuts de la mise en produc-5 tion des puits. Mais, après un certain temps de production, la pression au fond du puits décroît et le volume à extraire pour une même production augmente. La densité apparente du pétrole extrait décroît, ce qui a pour effet de réduire le rendement volumétrique en pétrole des pompes de type courant. D'autre part, et ainsi qu'il 10 a été indiqué plus haut, le rendement volumétrique de la pompe u-tilisée décroît lorsqu'elle pompe un pétrole mousseux. Cette perte de rendement est parfois attribuée à la présence de bouchons de gaz. Mais, les bouchons de gaz ne sont en général pas la cause des difficultés rencontrées, et les efforts qui ont été faits en vue 15 d'améliorer le rendement volumétrique des pompes en attaquant le problème avec l'idée que de tels bouchons sont la cause de ces difficultés n'ont pas abouti. Les bouchons de gaz apparaissent gé-^ néralement lorsque du gaz libre est présent ou que du gaz entraîné en solution légère par le pétrole se dégage spontanément. Dans le 20 cas du pompage d'une émulsion persistance (telle qu'une mousse) hors de laquelle un gaz entraîné sous forme de fines bulles ne se dégage pas spontanément, les problèmes posés par les bouchons de gaz deviennent mineurs ou même relativement négligeables, à mesure que la mousse tend à se stabiliser. 25 La présente invention a pour objet un système perfectionné de pompage des pétroles bruts mousseux. Une pompe submersible et à vitesse variable est logée dans la partie inférieure du puits en exploitation de façon à être immergée dans le pétrole brut mousseux à pomper. L'orifice de refoulement de la pompe est raccordé 30 à un tube qui alimente en surface les installations de traitement et de stockage. Un dispositif de mesure fournit un signal qui est fonction de la densité du fluide pompé. La vitesse de la pompe est réglée entre ses limites possibles en raison inverse de l'amplitude dudit signal, cette vitesse étant augmentée lorsque la densité 35 du pétrole pompé diminue et inversement. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la pression du pétrole brut mousseux est prise en deux points distants l'un de l'autre en direction verticale et situés au voisinage de la pompe immergée. La différence entre ces deux pressions 40 est fonction de la densité du pétrole pompé. Cette différence de 70 13904 3. 2039241 pression est transformée en un signal électrique ou en une action mécanique qui sont utilisés pour commander les variations de vitesse de la pompe immergée. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention 5 ressortiront de la description qui va suivre, description faite à titre purement explicatif et nullement limitatif et avec référence aux dessins joints dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement une pompe immergée dans un puits en exploitation et dont la vitesse est réglée en 10 fonction de la différence des pressions qui existent en deux points du puits distants l'un de l'autre en direction verticale et situés au voisinage de la pompe ; La figure 2 représente schématiquement une pompe submersible et à vitesse variable immergée dans le liquide contenu dans un 15 puits en exploitation et associée à des appareils "qui font varier sa vitesse en fonction de la quantité de liquide pompée et à des appareils permettant de faire varier cette vitesse par des manoeuvres manuelles ; La figure 3 représente schématiquement une pompe à vitesse 20 variable immergée dans le liquide contenu dans un puits en exploitation et associée à des appareils qui font varier sa vitesse en fonction de la perte de charge dans un étranglement de la tuyauterie de décharge de la pompe ; et La figure 4 représente schématiquement un autre mode de réa-25 lisation de l'invention dans lequel une pompe à vitesse variable est immergée dans le liquide contenu dans un puits eh exploitation et associée à des appareils qui font varier sa vitesse en fonction du débit massique du liquide pompé. . La figure 1 des dessins joints représente un puits 10 dont 30 l'extrémité inférieure se situe dans une zone productive 12. Ce puits 10.est pourvu d'un tubage 14 cimenté contre sa paroi et percé de trous 16 par lesquels le pétrole brut 19 pénètre à l'intérieur du puits. Ce pétrole 19 s'élève dans le puits au-dessus de la zone productrice 12 et atteint un niveau représenté en 18. Une 35 pompe centrifuge 20 à vitesse variable est immergée dans le pétrole 19 contenu dans le fond du puits 10. L'orifice de refoulement de cette pompe est relié par l'intermédiaire d'un tube vertical 22 à une tête de puits 24 de type courant montée sur l'extrémité supérieure du tubage 14. Le tube 22 s'écarte ensuite latéralement de 40 la tête de puits et forme une tuyauterie de décharge 26. Les dispo 70 13804 4. 2039241 sitifs d'étanchéité et autres nécessités par cette installation n'ont pas été représentés du fait qu'ils sont bien connus. L'alimentation en énergie de la pompe 20 est décrite ci-après. Cette pompe 20 est typiquement constituée par un groupe com-5 prenant une pompe centrifuge submersible et un moteur électrique. L'énergie alimentant ce moteur lui est fournie par une source d'énergie électrique appropriée située en surface et lui parvient par les conducteurs électriques d'un câble 30. Le moteur de la pompe 20 est du type dont la vitesse de rotation varie en fonction 10 de la fréquence de la tension alternative qui lui est appliquée. Cette tension alternative lui parvient par les conducteurs du câble 30, lequel est connecté en surface sur un changeur de fréquence 32. Les changeurs de fréquence sont des appareils offerts sur le marché par de nombreux fabricants, tels que par exemple le Dé-15 partement des Appareils de Commande de la société dite Borg-Warner Corporation de Santa-Ana, Californie, E.U.A. Un changeur de fréquence approprié à la mise en oeuvre du procédé de l'invention est celui appelé "Changeur de Fréquence Transistorisé" par la Borg-Warner Corporation. Ce changeur de fréquence peut comporter un re-20 dresseur qui transforme une tension alternative reçue en une tension continue, un inverseur muni d'un réglage de la fréquence et qui fournit une tension alternative de sortie sur la fréquence désirée et un transformateur, ou autre appareil de réglage de la tension, qui exerce une régulation sur l'amplitude de la tension 25 de sortie de l'inverseur à courant alternatif. La fréquence de cet inverseur peut être réglée à la main, à l'aide par exemple d'un bouton qui permet de régler la valeur efficace d'un élément d'un circuit oscillant, ou bien cette fréquence' peut être réglée automatiquement en fonction des variations de l'une des caractéristiques 30 d'un signal électrique reçu d'un appareil qui peut être le circuit différentiel représenté schématiquement en 44. A titre d'exemple, on trouve dans le commerce des changeurs de fréquence dont la fréquence de sortie peut varier entre zéro et 200 Hz et dont l'alimentation peut s'effectuer à partir d'une distribution d'électri-35 cité de type normal. Un câble 34 est connecté sur l'entrée du changeur de fréquence 32 et applique à celui-ci l'énergie électrique en provenance d'une source de type courant (non représenté). Les limites de la fréquence fournie par le changeur de fréquence 32 sont réglées de façon que la pompe 20 fonctionne entre ses pro-40 près limites de vitesse. 70 13004 5. 2039241 Les mesures et les opérations à effectuer pour modifier le réglage du changeur de fréquence 32 sont examinées ci-après. Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, la vitesse de rotation de la pompe 20 doit être réglée en raison inverse des variations de la densité 5 apparente du liquide pompé. Si cette densité diminue, la vitesse de la pompe doit augmenter. Les variations de vitesse de la pompe sont typiquement linéaires. Pour obtenir une mesure de la densité du pétrole 19 contenu dans le puits du mode de réalisation de la figure 1, il est .prévu un manomètre supérieur 36 et un manomètre 10 inférieur 38. Ces manomètres fournissent chacun un signal électrique qui est fonction de la pression qu'ils perçoivent. Ces manomètres 36 et 38 sont respectivement reliés par des câbles conducteurs 40 et 42 au circuit différentiel 44. Les signaux émis par ces manomètres sont comparés dans ce circuit différentiel 44 lequel émet 15 un signal de sortie qui est proportionnel à la différence des pressions mesurées par les manomètres 36 et 38 ou qui est une autre fonction de cette différence. Ce signal de sortie, après avoir été convenablement amplifié,' est utilisé pour régler la fréquence de sortie du changeur de fréquence 32. Le dispositif de réglage de 20 cette fréquence peut être soit incorporé au changeur de fréquence, soit extérieur à celui-ci. Par exemple, le signal émis par le circuit différentiel 44 peut être envoyé dans, un dispositif de commande 45, lequel peut être un potentiomètre dont la position angulaire de l'axe est fonction de l'amplitude du signal d'entrée qu'il 25 reçoit. Ce potentiomètre est utilisé pour régler la fréquence émise par le changeur de fréquence 32. Dans les autres figures des dessins joints, le signal électrique fonction de la caractéristique mesurée du liquide pompé est reçu directement par le changeur de fréquence. 30 La vitesse de la pompe centrifuge, qui est mise en rotation par un moteur à courant alternatif, varie en fonction directe des variations de la fréquence du courant d'alimentation de son moteur. Par exemple, pour une alimentation normale sous 50 Hz, un moteur bipolaire'tourne à 3.000 tr/mn. Une réduction de moitié à 25 Hz de 35 la fréquence d'alimentation réduit de moitié la vitesse de rotation d'un moteur alternatif synchrone et la ramène à 1.500 tr/mn. Inversement, un doublement de la fréquence d'alimentation qui la porte à 100 Hz porte la vitesse de rotation d'un moteur synchrone à 6.000 tr/mn. Toute variation intermédiaire de la fréquence d'ali-40 mentation provoque une variation proportionnelle de la vitesse de ?0 13804 6. 2039241 10 15 20 25 rotation du moteur. Les caractéristiques du fonctionnement de la pompe sont modifiées par les variations de la vitesse de son moteur. Lorsque cette vitesse "N" varie, le débit "Q" fourni par la pompe varie en raison directe et l'on a : Q; Q. N, N, "2 "2 Lorsque la vitesse de la pompe varie, sa pression de refoulement "H" varie en fonction directe du carré de sa vitesse, et l'on a : h H, Lorsque la vitesse de la pompe varie, sa puissance développée sur l'arbre "BHP" varie en fonction directe du cube de sa vitesse, et l'on a : BHj BÏL N. N, Les caractéristiques de la marche du moteur varient en fonction de la fréquence de son alimentation. Trois paramètres permettent de prévoir le comportement d'un moteur aux fréquences d'alimentation autres que sa fréquence d'alimentation normale de 50 Hz. Lorsque la fréquence d'alimentation "F" varie, la vitesse du moteur varie en raison directe de cette fréquence, et l'on a : N F, _1 A 1 N2 * F2 Lorsque la fréquence d'alimentation varie, la puissance sur l'arbre "BHP" fournie par le- moteur varie en raison directe de cette fréquence, et l'on a : BHP„ F„ 30 BHP, 35 40 .2 A2 Lorsque la fréquence d'alimentation varie, la tension d'alimentation "V" nécessaire varie en raison directe de cette fréquence, et l'on a : h h V2"F2- Lorsque la densité du liquide pompé, laquelle ressort des indications fournies par les manomètres 36 et 38, nécessite une variation de la vitesse du moteur, le dispositif de réglage du changeur de fréquence 32 est actionné de façon que la fréquence d'alimentation du moteur prenne une valeur appropriée. Le changeur 70 13804 7. 2039241 de fréquence 32 règle simultanément l'amplitude de la tension fournie au moteur. La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention qui est une modification de celui de la figure 1. Dans le mode de 5 réalisation de la figure 2, les manomètres 36 et 38 sont supprimés et remplacés par un appareil de mesure du débit refoulé. La quantité de liquide pompée est fonction de la densité de ce liquide. Sur la figure 2, la tuyauterie d'évacuation 26 débouche dans un séparateur 49 dans lequel le pétrole brut est débarrassé du gaz 10 qu'il contient. Ce gaz s'échappe par une tuyauterie supérieure 42 et le pétrole s'écoule par une tuyauterie inférieure 44. De préférence, ce séparateur est du type à brûleur à gaz. Des additifs connus pour leurs propriétés anti-mousse sont introduits dans le séparateur pour accélérer la séparation du gaz et de faire dispa-15 raître la mousse qui a été pompée. Le pétrole sortant du séparateur passe dans un compteur 46 avant d'être envoyé dans un réservoir de stockage non représenté. Le compteur 46 fournit sur un conducteur 48 un signal qui est fonction de la quantité de pétrole extraite. Si cette quantité diminue, le signal émis par le compteur 46 aug-20 mente et provoque l'augmentation de la fréquence fournie par le changeur de fréquence 32. Cette augmentation de la fréquence d'alimentation fait augmenter le débit de refoulement de la pompe immergée jusqu'à ce que le débit de pétrole brut non mousseux fourni par la pompe redevienne égal à un débit prédéterminé ou préréglé. Il 25 est évident qu'une limite supérieure doit être imposée à la vitesse de rotation de la pompe au cas où le puits serait incapable de fournir ledit débit prédéterminé. Sur la figure 2, une source d'énergie électrique est branchée sur l'appareillage par l'intermédiaire d'un commutateur 33A qui, 30 lorsqu'il est fermé sur son contact 1, alimente le changeur de fréquence 32. La sortie de ce changeur de fréquence est branchée sur un commutateur 33B qui, lorsqu'il est fermé sur son contact 1, connecte le changeur de fréquence 32 sur le câble d'alimentation de la pompe 20. Ces positions des interrupteurs 33A et 33B sont celles 35 sur lesquelles ils sont mis lorsqu'on désire que le réglage de la vitesse de la pompe 20 s'effectue automatiquement. Il est parfois désirable de pouvoir faire varier la vitesse de la pompe 20 par des manoeuvres manuelles. Dans le mode de réalisation de la figure 2, cette possibilité est obtenue en mettant les 40 commutateurs 33A et 33B sur leur position pour laquelle ils sont 70 13804 8. 2039241 fermés sur leurs contacts 2 respectifs. Cette manoeuvre a pour effet de brancher sur la source d'énergie électrique un deuxième changeur de fréquence 32A à commande manuelle. Ce changeur de fréquence 32A est identique au premier 32, sauf qu'il est muni d'un 5 bouton de réglage manoeuvrable à la main. Lorsque les deux commutateurs du circuit sont fermés sur leurs contacts 2 respectifs, le changeur de fréquence 32 est hors circuit. La vitesse de la pompe 20 peut alors être réglée par des manoeuvres manuelles. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation de 10 l'invention. Dans ce mode de réalisation, les manomètres prévus au fond du puits de la figure 1 sont supprimés et leurs indications sont remplacées par la mesure de la perte de charge qui se produit dans un étranglement 50 de la tuyauterie d'évacuation 26. Des tuyauteries de prise de pression 52 et 54 piquées respectivement sur 15 l'amont et sur l'aval de l'étranglement 50 sont raccordées sur un dispositif différentiel 56 qui, dans le mode de réalisation de la figure 3, fournit un signal électrique qui varie en fonction de la différence des pressions qu'il reçoit par les tuyauteries 52 et 54. Ce signal électrique est envoyé par un conducteur 58 dans le 20 changeur de fréquence 32. La perte de charge dans l'étranglement 50 est fonction de la densité du fluide qui y circule. De la sorte, la vitesse de la pompe 20 est réglée d'après la densité du fluide refoulé. La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de 25 l'invention. Dans ce mode de réalisation, la vitesse du moteur de la pompe immergée 20 est déterminée par la mesure de la masse de fluide pompée par unité de temps. La tuyauterie d'évacuation 26 passe par un compteur à moulinet 60 qui fournit un signal de sortie qui varie en fonction de la masse de liquide refoulée par uni-30 té de temps. Ce signal de sortie est utilisé pour faire varier la fréquence émise par le changeur de fréquence 32 en raison inverse du débit massique qui circule dans la tuyauterie 26. Lorsque ce débit diminue, là fréquence fournie à la pompe 20 augmente et la vitesse de cette pompe s'accroît. Le compteur à moulinet 60 peut 35 être remplacé par tout appareil de type connu capable de mesurer la masse, et non le volume, du débit de liquide qui le traverse. Ce compteur à moulinet peut aussi être remplacé par un réservoir 62 porté par une balance 64. La tuyauterie 26 débouche alors dans ce réservoir par l'intermédiaire d'un raccord flexible 61. Lorsque la 40 masse du liquide qui circuit dans le réservoir 62 varie, le poids 70 13804 9. 2039241 mesuré par la balance 64 varie en conséquence. La balance 64 peut être agencée de façon à fournir un signal électrique ou à actionner une tringlerie utilisables pour le réglage de la fréquence de sortie du changeur de fréquence 32. 5 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réa lisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 70 13804 10. 2039241 REVENDICATIONS 1 - Procédé d'extraction à l'aide d'une pompe à vitesse variable d'un pétrole brut mousseux fourni par un puits en exploitation, ce procédé éteint caractérisé en ce qu'il comprend le fait de 5 mesurer la quantité du pétrole mousseux refoulé en fonction de sa densité et de régler la vitesse de la pompe en fonction du résultat de cette mesure. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite quantité mesurée est la différence des pressions qui exis- 10 tent en deux points du puits d'extraction distants l'un de l'autre en direction verticale. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que le pétrole brut refoulé passe dans un séparateur dans lequel il est débarrassé du gaz qu'il contient, et en ce qu'il 15 comporte la mesure du débit de pétrole sortant de ce séparateur et le réglage de la vitesse de la pompe en fonction inverse des variations du débit de pétrole sur l'aval dudit séparateur. 4 - Appareillage pour lamiseen oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à vitesse 20 variable logée dans le puits d'extraction ; une tuyauterie qui relie cette pompe aux installations en surface associées au puits ; des dispositifs permettant de mesurer une quantité qui est fonction de la densité du pétrole refoulé ; et un dispositif agissant en fonction de cette quantité mesurée et réglant en conséquence la 25 vitesse de rotation de la pompe. 5 - Appareilla^ selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dispositifs utilisés pour la mesure de ladite quantité comprennent deux manomètres, distants l'un de l'autre en direction verticale et immergés dans le pétrole brut contenu dans le fond du puits 30 d'extraction, et un dispositif,qui détermine la différence des pressions mesurées par ces manomètres. 6 - Appareillage- pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe à vitesse variable suspendue dans le puits d'extraction ; un séparateur 35 situé en surface, relié à la pompe et dans lequel le pétrole pompé est débarrassé du gaz qu'il contient ; et un dispositif permettant de faire varier la vitesse de la pompe en raison inverse des variations du débit de pétrole brut sur l'aval du séparateur. 7 - Appareillage, pour la mise en oeuvre du procédé selon la re- 40 vendication 1, caractérisé en ce qu'il, comporte une pompe centri 70 13804 ii. 2039241 fuge mise en rotation par un moteur électrique à vitesse variable et immergée dans le pétrole brut mousseux contenu dans le fond du puits d'extraction, la vitesse de cette pompe étant fonction de la fréquence du courant électrique alternatif fourni au moteur par 5 une source d'énergie électrique alternative ; un changeur de fréquence branché sur cette source d'énergie électrique et dont la sortie est reliée électriquement à la pompe ; un appareil de mesure qui fournit la valeur d'une quantité qui est fonction de la densité du pétrole pompé ; un dispositif reliant l'un à l'autre 10 l'appareil de mesure et le changeur de fréquence de façon que la fréquence de sortie de celui-ci varie en fonction inverse des variations de ladite quantité mesurée par l'appareil de mesure ; et une tuyauterie qui relie la pompe aux installations en surface du puits, d'extraction. 15 8 - Appareillage selon la revendication 4, caractérisé en ce que son appareil de mesure est constitué par un étranglement logé dans la tuyauterie d'évacuation du pétrole et par des dispositifs qui mesurent la perte de charge dans cet étranglement et qui font varier la fréquence de sortie du changeur de fréquence en raison 20 inverse des variations de cette perte de charge. 9 - Appareillage selon la revendication 4, caractérisé en ce que son appareil de mesure est un débitmêtre massique monté sur la tuyauterie d'évacuation du pétrole.