Brevet FR2522721A1 — publié le 19830909

La présente invention est relative à un dispositif destiné à assurer la continuité d'un circuit électrique, depuis une installation de surface jusqu'au moteur électrique de la pompe centrifuge positionnée en fond de puits, ceci par l'intermédiaire d'une tête de puits installée sur le fond marin. On connaît déjà la technique des têtes de puits sous-marines permettant de produire un effluent éruptif, et de le récupérer en surface Le contexte actuel nous impose le développement de gisements marginaux, soit parce qu'ils ne sont pas éruptifs, soit parce que les caractéristiques du réservoir sont telles qu'il ne fournit une production appréciable que si on lui applique une énergie de relevage. Dans les deux cas, il faut ou bien alléger la colonne liquide par injection de gaz proche du niveau en production, soit employer un moyen de pompage. L'extraction par pompe centrifuge électrique immergée, autorise des débits importants, ce qui est très recherché en production sous-marine, mais elle présente des difficultés pour la connexion étanche des conducteurs élec- triques au niveau de la tête de puits. La présente invention permet de surmonter ces diffi- cultés par l'emploi d'un connecteur pour lequel la position relative des éléments mâle et femelle associée à l'injection d'un gaz neutre dans la zone de connexion entraîne l'élimi- nation de toute surpression à l'engagement et supprime toute trace de liquide dans cette zone. Un dispositif de connexion électrique selon l'inven- tion dans une tête de puits sous-marine pour l'alimentation d'un moteur ( 16) d'entraînement d'une pompe de fond ( 17) est caractérisé en ce qu'il comporte un élément mâle ( 20) cylin- drique coaxial du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15) dans la tête de puits ( 2), cet élément mâle ( 20) étant fixé au raccord de suspension ( 3) par une pièce annulaire ( 23) percée d'au moins une ouverture ( 24) pour le passage de l'effluent et portant sur son contour cylindrique une pluralité de contacts électriques annulaires ( 25,) espacés, reliés par des conducteurs électriques isolés au travers de la masse de l'élément mâle ( 20) et du raccord de suspension ( 23) aux conducteurs d'un câble -( 19) aboutis- sant au moteur électrique ( 16) entraînant la pompe de fond ( 17) et un élément femelle ( 21) en forme de cloche ( 22) cylindrique apte à coulisser le long de l'élément mâle ( 20) et comportant une pluralité de contacts électriques ( 28,) aptes à prendre appui sur les contacts électriques annulaires ( 25,) de l'élément mâle ( 20), ces contacts ( 28,) étant reliés par des conducteurs électriques isolés, logés dans la masse de l'élément femelle ( 21) et ensuite d'une pièce de prolongation ( 9) de cet élément femelle ( 21), à l'extré- mité d'un câble électrique aboutissant à une source d'énergie électrique, cette pièce de prolongation ( 9) étant munie dans sa masse d'un conduit ( 31) reliant une ouverture ( 32) par laquelle il débouche au fond ( 33) de la cloche ( 22) cylindrique de l'élément femelle ( 21) à une canalisation ( 12) aboutissant à une source de gaz neutre sous pression contrôlée. Suivant un mode de réalisation préféré, l'élément femelle ( 21) comporte au niveau du fond de la cloche ( 22) une surépaisseur en forme de bague annulaire ( 34), apte à coulisser à l'intérieur du raccord de suspension ( 3) du tube de production, cette surépaisseur ( 34) étant percée d'au moins un orifice ( 35) de passage pour l'effluent. Dans les différents modes de réalisation, l'élément femelle ( 21) de part et d'autre du groupe des contacts ( 28,) électriques est muni d'anneaux ( 36 et 37) pour l'étanchéité avec la partie mâle ( 20). Dans les différents modes de réalisation, afin de permettre le passage de conduites hydrauliques, au travers de la tête de puits, et leur connexion à ce niveau, la surépaisseur annulaire ( 34) comporte un percement ( 39) pour un conduit ( 38) s'étendant jusqu'à l'extrémité de la pièce de prolongation ( 9) pour y être connecté à une conduite hydraulique ( 11), ce conduit ( 38) étant connectable de façon étanche avec l'orifice ( 40) d'un conduit ( 41) aménagé dans la masse annulaire du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15) et se poursuivant par un conduit hydraulique ( 42) annexé au tube de production ( 15). Dans les divers modes de réalisation, l'ouverture ( 46) par laquelle débouche la cloche cylindrique ( 22) de l'élément femelle ( 21) est munie d'une membrane ( 47) apte à être percée par l'élément mâle ( 20). Selon une autre caractéristique de l'invention, celle-ci favorisera l'utilisation de tubages flexibles de production dans la paroi desquels les conducteurs électriques pourront être immergés. D'autres caractéristiques de l'invention apparai- tront à travers la description d'un mode de réalisation, à titre non limitatif, à l'aide des figures suivantes Figure 1: Schéma d'ensemble d'un puits équipé d'une pompe électrique de fond. Figure 2: Schéma de la traversée d'une tête de puits par des conducteurs électriques à l'aide d'un dispositif de connexion. Figure 3: Coupe selon AA de la figure 2. Figure 4: Schéma de l'élément femelle du dispositif de connexion. Le dispositif de connexion électrique est constitué par les éléments du raccord de suspension ( 3) adaptés à cette fonction Ce raccord de suspension ( 3) est prolongé vers le haut par une pièce de prolongation ( 9) dont le contour extérieur cylindrique a un diamètre nettement inférieur au diamètre interne du passage intérieur des dispositifs obtu- rateurs inférieur ( 4) et supérieur ( 7) ainsi que des connecteurs hydrauliques inférieur ( 5) et supérieur ( 8) et du raccord de production ( 6) Cette pièce de prolongation contient différentes canalisations électriques hydrauliques et de gaz sous pression aboutissant d'une part au raccord de suspension ( 3) et d'autre part à des connexions situées à l'extrémité supérieure de cette pièce ( 9), de telle sorte que ces connexions soient situées au-dessus du connecteur hydraulique supérieur ( 8) A partir de ces connexions, sur l'extrémité supérieure de la pièce ( 9) , on distingue un câble électrique ( 10), une ligne de contrôle hydraulique ( 11) et une ligne d'injection d'un gaz neutre ( 12). 2 r 22721 Pour que les connexions avec ces différents câbles et lignes soient situées au-dessus du connecteur hydraulique supérieur ( 8) et munies de moyens d'assurer la parfaite étanchéité de l'espace annulaire interne dudit connecteur hydraulique ( 8) avec le milieu extérieur, il est nécessaire que la pièce ( 9) soit composée d'un élément de base ( 9 a) solidaire du raccord ( 3) et le prolongement, et d'une pluralité d'éléments tels que ( 9 b, 9 c,) empilés et solidarisés hermétiquement de telle sorte que la hauteur de l'ensemble est ajustée à la hauteur de l'empilement des dispositifs ( 4, 5, 6, 7 et 8). Cette pièce de prolongation ( 9) étant étanche, d'une part elle isole les câbles et lignes qu'elle contient par rapport au milieu extérieur et d'autre part, elle autorise la fermeture des mâchoires de l'obturateur supérieur ( 7) sur son contour extérieur. Les mâchoires de l'obturateur inférieur ( 4) sont adaptées à assurer une fermeture étanche après retrait vers le haut de la partie rétractable du raccord ( 3). La tête de puits ( 2) surmonte un puits ( 13) déli- mité par un cuvelage (en anglais "casing") ( 14) cimenté et perforé au droit du niveau producteur, non figuré. Le raccord de suspension ( 3) est connecté par un filetage à une colonne au tube de production ( 15) (en anglais "tubing") à l'extrémité inférieure de laquelle se trouve un moteur électrique ( 16) entraînant une pompe ( 17), le moteur ( 16) étant séparé de la pompe ( 17) par une crépine d'aspi- ration ( 18). Le câble électrique triphasé ( 10) s'étend de la plateforme située audessus de la surface de la mer jusqu'au dispositif de connexion localisé dans le raccord de suspension ( 3), ensuite il est prolongé jusqu'au moteur ( 16) par un câble électrique ( 19), fixé au moyen de colliers à l'exté- rieur de la colonne de production ( 15). Dans d'autres réalisations, non figurées, le câble électrique ( 19) est localisé dans l'épaisseur de l'enveloppe d'un tube flexible analogue à celui utilisé pour le flexo- forage. La figure 2 donne un schéma de la traversée d'une tête de puits par des conducteurs électriques au moyen d'un dispositif de connexion. Un tel dispositif de connexion comporte un élément mâle ( 20) plein cylindrique coaxial du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15) dans la tête de puits ( 2) et un élément femelle ( 21) délimitant une cloche cylindrique ( 22) apte à coulisser le long de l'élément cylindrique mâle ( 20). L'élément mâle ( 20) est fixé au raccord de suspension ( 3) par une pièce annulaire ( 23) percée de trois ouvertures ( 24) pour le passage de l'effluent et porte sur son contour cylindrique trois contacts électriques annulaires espacés ( 25, 26, 27) Ces contacts sont reliés par des conducteurs électriques isolés au travers de la masse de l'élément mâle ( 20) et du raccord de suspension ( 3) aux conducteurs d'un câble ( 19) aboutissant au moteur électrique ( 16) entraînant la pompe de fond. L'élément femelle ( 21) a la forme d'une cloche cylindrique de diamètre interne peu supérieur au diamètre externe de l'élément cylindrique mâle ( 20), il comporte trois contacts électriques ( 28, 29, 30), annulaires élastiques, aptes à prendre appui sur les contacts électriques annu- laires correspondants ( 25, 26, 27) de l'élément mâle ( 20) ayant les mêmes espacements Ces contacts ( 28, 29, 30) sont reliés par des conducteurs électriques isolés, non représentés, logés dans la masse de l'élément femelle ( 21) et ensuite dans une tige en pièce d'extension ( 9) coaxiale de l'élément femelle ( 21), à l'extrémité d'un câble électrique aboutissant aux bornes d'une source d 'énergie électrique, non représentée. Cette pièce d'extension ( 9) est munie dans sa masse d'un conduit ( 31) reliant une ouverture ( 32) par laquelle elle débouche au fond ( 33) de la cloche cylindrique à une canalisation aboutissant à une source de gaz neutre sous pression, non figurée. L'élément femelle ( 21) est muni au niveau du fond ( 33) de la cloche d'une surépaisseur en forme de bague annulaire ( 34) de contour extérieur cylindrique et apte à L ? 72 1 coulisser à l'intérieur du raccord de suspension ( 3) du tube de production, cette surépais seur en forme de bague annu- laire ( 34) comporte trois orifices tels que ( 35) pour le passage de l'effluent. L'élément femelle ( 21) comporte, de part et d'autre du groupe de contacts électriques ( 28, 29, 30) des anneaux d'étanchéité ( 36) et ( 37) entrant en contact avec l'élément mâle ( 20). La surépaisseur ( 34) comporte, dans sa masse, un percement pour un conduit ( 38) s'étendant d'une part jusqu'à l'extrémité de la pièce d'extension ( 9) pour y être connecté à une conduite hydraulique ( 11) indiquée sur la figure 1 et d'autre part, à un orifice ( 39) susceptible d'être connecté de façon étanche avec un orifice ( 40) d'un conduit ( 41) aménagé dans la masse annulaire du raccord de suspension ( 3) et se poursuivant par un conduit hydraulique ( 42) fixé au moyen de colliers le long de la colonne de production ( 15) jusqu'à un organe de fermeture, non figuré, qui est actionné par le fluide hydraulique. L'orifice ( 40) du conduit ( 41) est situé dans une rainure annulaire ( 43) tracée sur le contour interne cylin- drique du raccord ( 3) La surépaisseur ( 34) comporte de part et d'autre de l'orifice ( 39) des joints ( 44) et ( 45) assurant l'étanchéité de la connexion entre les orifices ( 39) et ( 40) quelle que soit l'orientation de l'élément mâle ( 20) par rapport à l'élément femelle ( 21). La figure 3 donne une coupe, selon AA de la figure 2, de l'élément femelle ( 21) On y remarque les orifices ( 35) pour le passage de l'effluent et la section circulaire de la cloche cylindrique ( 22) à l'intérieur de laquelle coulisse l'élément cylindrique mâle ( 20). La figure 4 donne le schéma de l'élément femelle ( 21) du dispositif de connexion, cet élément femelle ( 21) étant isolé tel qu'il se trouve avant la connexion. Cet élément femelle ( 21) délimite une cloche cylindrique ( 22) sur le contour interne de laquelle on distingue trois contacts annulaires ( 28, 29 et 30) encadrés par les anneaux d'étanchéité ( 36 et 37). On distingue au niveau du fond ( 33) de la cloche ( 22) la surépaisseur annulaire ( 34) de contour extérieur cylindrique, cette surépaisseur ( 34) comportant trois orifices ( 35) pour le passage de l'effluent. La cloche cylindrique ( 22) débouche vers le bas par une ouverture ( 46) munie d'une membrane de protection ( 47) apte à être percée par l'élément mâle ( 20). Mise en place de la connexion. L'élément mâle ( 20) est en place dans le raccord ( 3) de suspension du tubing dans la tête de puits. La descente de l'élément femelle ( 21) est effectuée, la cloche ( 22) étant remplie de gaz inerte dont la pression est ajustée de façon continue, et isolée du milieu ambiant, c'est-à-dire du fluide de complétion, par une membrane fracturable ( 47). La descente de l'élément femelle ( 21) s'effectue quelle que soit l'orientation Aucune orientation ni indexation n'est imposée pour la connexion des deux éléments ( 20) et ( 21) - Lorsque l'élément mâle ( 20) pénètre dans la cloche ( 22), il fracture la membrane ( 47) et aussitôt le maintien de pression par le conduit ( 31) et l'anneau d'étanchéité inférieur ( 37) ont des effets concourants pour éviter toute pollution des contacts électriques ( 28, 29 et 30) par le milieu ambiant. L'élément ( 20) coulisse dans la cloche ( 22) jusqu'à ce que la connexion électrique soit réalisée Lorsque cette position est atteinte, se trouventégalement réaliséés la présentation et la connexion des lignes hydrauliques ( 38) et ( 42). Lorsque la connexion est réalisée, il est possible, à tout instant, de fermer l'obturateur supérieur ( 7) car les mâchoires de ce dernier ont un contour adapté pour se fermer sur le contour externe de la pièce d'extension ( 9) Après déconnexion, lorsque l'élément femelle ( 21) a été suffisamment relevé, c'est l'obturateur inférieur ( 4) qui peut être actionné et assure alors la fermeture totale de la tête de puits. ú 522721 Ce dispositif assure dans les meilleures conditions d'étanchéité et d'isolement la connexion des lignes de transfert de force électrique, notamment pour l'alimentation d'un moteur entraînant une pompe de fond Un tel dispositif peut aussi être utilisé pour l'alimentation en énergie électrique de tout moteur annexé à une tête de puits et éventuellement situé sur une installation de production ou de traitement localisée sur le fond de la mer. REVENDICATIONS 1 Dispositif de connexion électrique dans une tête de puits sous-marine pour l'alimentation d'un moteur ( 16) d'entraînement d'une pompe de fond ( 17), caractérisé en ce qu'il comporte un élément mâle ( 20) cylindrique coaxial du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15) dans la tête de puits ( 2), cet élément mâle ( 20) étant fixé au raccord de suspension ( 3) par une pièce annulaire ( 23) percée d'au moins une ouverture ( 24) pour le passage de l'effluent et portant sur son contour cylindrique une pluralité de contacts électriques annulaires ( 25,) espacés, reliés par des conducteurs électriques isolés au travers de la masse de l'élément mâle ( 20) et du raccord de suspension ( 23) aux conduc- teurs d'un câble ( 19) aboutissant au moteur électrique ( 16) entraînant la pompe de fond ( 17), et un élément femelle ( 21) en forme de cloche ( 22) cylindrique apte à coulisser le long de l'élément mâle ( 20) et comportant une pluralité de contacts électriques ( 28,) aptes à prendre appui sur les contacts annulaires ( 25,) de l'élément mâle ( 20), ces contacts ( 28,) étant reliés par des conducteurs électriques isolés, logés dans la masse de l'élément femelle ( 21) et ensuite d'une pièce de prolongation ( 9) de cet élément femelle, à l'extré- mité d'un câble électrique aboutissant à une source d'énergie électrique, cette pièce de prolongation ( 9) étant munie dans sa masse d'un conduit ( 31) reliant une ouverture ( 32) par laquelle il débouche au fond ( 33) de la cloche cylindrique ( 22) de l'élément femelle ( 21) à une canalisation ( 12) aboutissant à une source de gaz neutre sous pression contrôlée. 2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément femelle ( 21) comporte au niveau du fond de la cloche ( 22) une surépaisseur en forme de bague annulaire ( 34) apte à coulisser à l'intérieur du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15), cette surépaisseur étant percée d'au moins un orifice ( 35) pour le passage de l'effluent du puits. L 522721 3 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément femelle ( 21) de part et d'autre du groupe des contacts ( 28,) électriques est muni d'anneaux ( 36 et 37) pour l'étanchéité avec la partie mâle ( 20). 4 Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la surépaisseur annulaire ( 34) comporte un percement ( 39) pour un conduit ( 38) s'étendant jusqu'à l'extrémité de la pièce de prolongation ( 9) pour y être connecté à une conduite hydraulique ( 11), ce conduit ( 38) étant connec- table de façon étanche avec l'orifice ( 40) d'un conduit ( 41) aménagé dans la masse annulaire du raccord de suspension ( 3) du tube de production ( 15) et se pour- suivant par un conduit hydraulique ( 42) annexé au tube de production ( 15). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'ouverture ( 46) par laquelle débouche la cloche cylin- drique ( 22) de l'élément femelle ( 21) est munie d'une membrane ( 47) apte à être percée par l'élément mâle ( 20).