Brevet FR2577611A1 — publié le 19860822

- 1 - La présente invention concerne un dispositif pour mettre en place un outil ou instrument dans une conduite et le récupérer par circulation d'un fluide vecteur, utilisable notamment pour l'exploitation en fond de puits de pompes hydrauliques autonomes, en production par l'intérieur d'un tube de production. L'invention concerne particulièrement la pose et la dépose d'outils autonomes au fond de puits producteurs d'hydrocarbures ou d'eaux. Cette technique est notamment intéressante dans le cas des pompes hydrauliques de fond autonomes, en particulier du type pompe à jet, lorsque la production est remontée en surface par un tube de produc- tion (tubing). C'est l'exemple qui a été retenu ici pour décrire l'invention, mais elle s'applique aussi à tous les équipements qui peuvent être utiles aux contrôles, régulations, mesures et sécurité en fond de puits en particulier les enregistreurs de pression, tempéra- ture, ou débit pouvant être exploités de cette manière, seuls ou associés aux pompes autonomes. L'invention s'applique aussi aux puits producteurs de gaz ainsi qu'aux puits activés par gas-lift. - 2- Les ensembles de pompages hydrauliques de fond et notamment les pompes à jet sont relativement compacts. Leur poids et leur encombrement sont suffisamment réduits pour permettre généralement leur installation et leur déplacement à l'intérieur d'un tube de production. Ces pompes sont le plus souvent simplement posées sur un réceptacle dont elles peuvent facilement être désolidarisées. Elles peuvent être alors considérées comme libres, car elles peuvent être rapidement posées ou retirées du puits par circulation hydraulique ou par travail au câble. Par rapport aux autres systèmes d'activation non libres (pompes à tiges, pompes électriques classiques), leur entretien est -donc plus simple, plus rapide et moins onéreux. La technique la plus couramment utilisée consiste à alimenter les pompes hydrauliques libres par un fluide moteur injecté dans le tube de production. La production est alors remontée par l'espace annulaire compris entre ce tube de production et le tubage (casing). Dans certains cas, la remontée de la production peut se faire par un autre tube de production, moyennant une complétion double. Dans le cas d'une production par l'espace annulaire, la pression motrice dans le tube de production permet d'appliquer et de maintenir la pompe dans son logement en fond de puits. Pour remonter la pompe, la circulation des fluides est inversée. Un clapet placé au refoule- ment de la pompe permet de maintenir en aval de celle-ci la pression nécessaire à son déplacement. La production par l'espace annulaire présente des risques dans les situations suivantes, relativement fréquentes: - fluides (bruts et eaux de gisement) corrosifs, en particulier lorsqu'ils contiennent de l'hydrogène sulfuré ou du gaz carbonique, - fluides abrasifs, lorsque la production entraine du sable de la formation, 2577 6 1 1 - 3 - - fluides qui forment des dépôts de paraffines, d'asphaltes ou de sels. La production de tels fluides peut entrainer l'endommagement des deux tubes (tube de production et tubage) et le colmatage de l'espace annulaire. D'autre part, la géométrie de l'espace annulaire n'est pas bien définie, le tube de production se positionnant de manière irrégulière. Cela ne permet pas de calculer facilement les écoulements des fluides produits; les dépôts sont favorisés dans les zones à faibles vitesses d'écoulement, en particulier aux points de contact entre le tube de production et le tubage. La présente invention élimine ces inconvénients en permettant la production par le tube de production. Selon cette méthode, le fluide moteur, qui est un fluide convenablement traité pour prévenir les risques de corrosion, d'abrasion et de dépôts est injecté dans l'espace annulaire. Le fluide pompé mélangé au fluide moteur, est remonté en surface par l'intérieur du tube de production o les phénomènes de corrosion, d'érosion et de dépôts peuvent être plus facilement contrôlés et traités. Les endommagements éventuels tenant aux fluides sont ainsi limités à l'intérieur du tube de production, tube qui est de petit diamètre. Les réparations qui portent uniquement sur le tube de production et non sur l'ensemble de ce tube (tubing) et du tubage (casing) sont donc plus rapide et moins coûteuses et la sécurité du puits est mieux assurée en cas d'incident. Des techniques classiques peuvent être appliquées pour la mise en place et le retrait d'une pompe hydraulique de fond avec production par le tube de production. Des techniques par travail au câble et par outil auxiliaire pompé ont été ainsi mentionnées dans le brevet GB 2.107.397 en ce qui concerne les pompes hydrauliques à jet. L'ap- plication de ces techniques semble cependant relativement longue à - 4 - mettre en oeuvre et nécessite un outillage complémentaire. L'invention permet de s'affranchir de ces techniques en fournissant un dispositif pour mettre en place un outil ou un instrument dans une position de travail déterminée à l'intérieur d'une conduite, puis le récupérer par circulation d'un fluide vecteur, comprenant un élément tubulaire adaptable à l'outil ou instrument et une garniture annulaire d'étanchéité. Ce dispositif est notamment caractérisé en ce que ledit élément tubulaire renferme des moyens de sélection du sens de déplacement de l'outil ou instrument qui comprennent en combinaison une bille ou élément d'obturation et un organe d'inversion du sens de déplacement, cet organe étant creux et ayant un orifice séparant les parois externe et interne qui forment des sièges d'étanchéité pour ladite bille, ledit organe étant déplaçable axialement dans ledit élément tubulaire sous l'effet d'une surpression, contre l'action de moyens de rappel d'une première position, o ledit orifice est obturé par ladite bille, à une seconde position, o le diamètre dudit orifice est augmenté et permet le passage de ladite bille. L'invention a notamment permis la mise au point d'un ensemble de pompage hydraulique autonome dont la mise en place et le retrait s'opèrent par simple inversion de la circulation de fluide. Cet ensemble peut être déplacé en tous sens à l'intérieur du tube de production avec une vitesse de l'ordre du mètre par seconde. Ainsi, pour un puits d'une profondeur de 1500m, l'opération de mise en production peut s'effectuer en moins d'une heure. Au cours de la mise en place ou de la remontée de la pompe, sa position peut être parfai- tement déterminée à tout moment, connaissant le débit de fluide injecté nécessaire à son déplacement. Aucun équipement supplémentaire par rapport au mode de production par l'espace annulaire n'est néces- saire en surface pour effectuer ces opérations. - 5 - -5 L'utilisation de cette technique est compatible avec celle du travail au câble (wireline). Des outils suspendus au câble peuvent effectuer la mise en place de l'équipement de fond, son ancrage et le retrait de l'outil de pause; d'autres outils exploitant par exemple la technique du battage, peuvent permettre de retirer l'équipement de fond, en particulier en cas d'incident sur le circuit de circulation hydraulique. Un exemple de réalisation de ce système est décrit ci-après en détail pour une pompe hydraulique à jet, mais il s'applique également aux autres appareillages de fond de puits susceptibles d'être mis en place par pompage hydraulique. La description suivante se réfère aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 schématise un procédé de production par l'intérieur du tube de production, utilisant une pompe à jet, - la figure 2 montre en coupe axiale une pompe à jet équipée d'un mécanisme selon l'invention qui permet de rendre la pompe autonome, - la figure 2A illustre en détail la position du mécanisme lors de la descente de la pompe dans le tube de production, les figures 2B et 2C montrent la mise en place de la bille du clapet en vue de la remontée de la pompe, - la figure 2D détaille le dispositif dans la position de remontée de la pompe, - la figure 3 représente en détail l'organe coaxial représenté sur la figure 2. - 6 - Sur la figure 1, la référence 1 désigne une formation géologique productrice dans laquelle a été foré un puits 2. Ce puits est équipé d'un tubage 3 comportant des perforations 4 au niveau de la couche productrice. La production est activée par une pompe à jet désignée dans son ensemble par la référence 5. Cette pompe est installée librement dans le tube de production 6 disposé à l'intérieur du tubage 3. Par pompe "libre" on entend ici dne pompe pouvant se déplacer dans le tube de production 6 et qui, en fonctionnement, repose sur un épaulement 7a pratiqué dans le tube récepteur 7, solidaire du tybe de production 6. Un dispositif d'étanchéité 8 du type packer entourant le tube récepteur 7 isole le gisement de l'espace annulaire 9 compris entre le tube de production 6 et le tubage 3. La pompe à jet 5 comprend essentiellement une duse 10 surmontée d'un ensemble mélangeur ll et diffuseur 12. L'activation de la production est réalisée en injectant en surface en 13 un fluide moteur dans l'espace annulaire 9. Ce fluide pénètre dans la duse 10 par l'intermédiaire d'orifices latéraux 14 ménagés dans le tube récepteur 7 (l'écoulement de ce fluide est figuré par les flèches en trait plein). La restriction de section de passage du fluide moteur au travers de la duse 10 forme un jet à haute vitesse. Ce jet provoque une dépression qui permet d'aspirer le fluide à pomper à la base du tube 7 et de l'entrainer au travers du col 15. L'écoulement du fluide à pomper est figuré en tirets. Les deux fluides se réunissent dans le mélangeur 11. Le diffuseur 12 permet de transformer en pression l'énergie cinétique acquise par les fluides. 7- Le gain de pression ainsi obtenu permet d'apporter la puissance nécessaire pour remonter la production jusqu'en 16 à la surface. Un clapet de fond 17 disposé sous la pompe à jet 5 évite le retour du fluide pompé vers le gisement. La figure 2 montre l'ensemble de la pompe 5 avec le mécanisme original de pose et de dépose selon l'inventibn. Ce mécanisme s'articule autour d'un clapet sélectif 18 permettant la sélection du sens de déplacement de la pompe dans les tubes 6 et 7, ce clapet sélectif étant logé dans l'élément tubulaire 19 solidaire de la pompe 5. Le clapet sélectif 18 est constitué d'une bille 20 ou d'un autre élément obturateur, retenue entre. un siège d'étanchéité 21 et une butée haute 22. La position du clapet permet ou empêche la circulation du fluide à travers la pompe 5. Le siège 21 comprend plusieurs pièces ou lamelles jointives 23 disposées en corolle qui forment, comme le représente la figure 4 un ensemble coaxial creux 24 maintenu en place par un poussoir 25 contre une portée conique 26 ou plus généralement une portée inclinée sur l'axe de l'élément tubulaire 19.; ce poussoir est appuyé sur un ressort 27. Un (ou plusieurs) élément de sécurité 28 (une goupille, par exemple, calculée pour se rompre sous un effort déterminé, ou d'autres mécanismes simples comportant, par exemple, un ressort taré) assure la fiabilité de l'ensemble en empêchant une ouverture accidentelle du système. Une garniture annulaire d'étanchéité 29 placée au-dessus du clapet complète l'ensemble. - 8 - Le rôle du système de clapet sélectif est de transformer lapression disponible dans le tube de production 6 en effort agissant sur la pompe 5 afin de provoquer son déplacement lors des opérations de pose et de dépose, tout en laissant le libre passage au fluide, lors de la phase de pompage du fluide de production illustrée par la figure 2. La mise en oeuvre du dispositif selon l'invention est indiquée ci-dessous. Opérations de pose et dépose de la pompe: 1. Descente de la pompe (Fig. 2A) La bille 20 est placée dans la position indiquée sur la figure 2A. Dans cette position de l'organe ou ensemble coaxial 24, la bille ne peut traverser l'orifice supérieur 21c de cet organe dont la section de passage est insuffisante. De part et d'autre de cet orifice 21c, les parois -des pièces ou lamelles 23 sont agencées pour former un siège d'étanchéité externe 21a et un siège d'étanchéité interne 21b respectivement pour la bille 20 dans cette position de rapprochement des pièces ou lamelles 23. En effet, les lamelles ne peuvent pas s'écarter les unes des autres, étant donné qu'elles sont maintenues au contact de la portée conique 26 par le ressort 27. L'injection de fluide sous pression en 16 dans le tube de production crée une pression qui exerce un effort vertical descendant sur la pompe 5, le fluide ne pouvant pas circuler à travers celle-ci. Cet effort est suffisant pour entraîner la pompe 5 jusqu'à sa position d'ancrage. Le verrouillage de la pompe s'effectue par le blocage de "chiens" (Fig. 2) , solidaires de chemises coulissantes 31, dans les évidements correspondants 32 du tube. Les pressions 77611 -9. différentielles peuvent être par exemple de 20 bar pour la descente de la pompe et de 40 bar pour son verrouillage. 2. Pompe en cours de production (Fig. 2) L'injection du fluide moteur dans l'espace annulaire 9 pousse la bille 20 vers la butée haute 22, ce qui permet d'activer le puits en produisant les fluides suivant le trajet indiqué par les flèches. 3. Dépose de la pompe (Figs 2B à 2D) Une fois la production arrêtée, la circulation de fluide est inversée, c'est-à-dire que le fluide sous pression est injecté dans le tube de production depuis la surface. La bille 20 revient sur le siège 21. Une surpression relativement importante (80 bar par exemple) engendre un effort suffisant pour supprimer l'élément de sécurité 28 (cisaillement de la goupille). L'effort comprime le ressort 27, le siège 21 est poussé vers le bas, comme l'indique la figure 2B. Les lamelles 23 composant le siège 21a s'écartent laissant passer la bille 20 qui vient se loger dans son nouveau logement 33 (Fig. 2B) à l'intérieur de l'organe 24. L'arrêt de l'injection équilibre les pressions dans le tube de production, supprimant l'effort agissant sur le clapet 18: le ressort 27 reprend alors sa position initiale et la bille 20 se trouve emprisonnée dans le logement 33 (Fig. 2C). Après inversion de la circulation du fluide (injection du fluide par l'espace annulaire 9), la bille 20 vient en butée sur son nouveau siège interne 21b (Fig. 2D), bloquant le passage du fluide. La montée de la pression dans la pompe 5 établit un effort ascendant qui permet le déverrouillage de la pompe et sa remontée dans le tube de production 6. - 10 - REVENDICATI ONS 1. - Dispositif pour mettre en place un outil ou instrument dans une position de travail déterminée à l'intérieur d'une conduite, puis le récupérer par circulation d'un fluide vecteur, comprenant un élément tubulaire adaptable à l'outil ou instrument et une garniture annulaire d'étanchéité (29), caractérisé en ce que ledit élément tubulaire (19) renferme des moyens de sélection du sens de déplacement de l'outil ou instrument qui comprennent en combinaison une bille (20) ou élément d'obturation et un organe (24) d'inversion du sens de déplacement, cet organe (24) étant creux et ayant un orifice (2c) séparant les parois externe et interne qui forment des sièges d'étanchéité (21a et 21b respectivement) pour ladite bille (20), ledit organe (24) étant déplaçable axialement dans ledit élément tubulaire (19) sous l'effet d'une surpression, contre l'action de moyens de rappel (27) d'une première position, o ledit orifice (21) est obturé par ladite bille (20), à une seconde position o le diamètre dudit orifice (2c) est augmenté et permet le passage de ladite bille (20). 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe comporte un ensemble de lamelles coaxiales (23) qui en s'écar- tant les unes des autres permettent d'augmenter le diamètre dudit orifice (21c). 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi interne dudit élément tubulaire comporte une portée (26) inclinée sur l'axe dudit élément tubulaire (19) contre laquelle s'appuie ledit organe (24) à sa partie supérieure dans sa première position (Figs 2A et 2D) sous l'action desdits moyens de rappel (27). 4. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un élément annulaire ou poussoir (25) est interposé entre ledit organe (24) et lesdits moyens élastiques (27), 2 5 77611 - 11 - ce poussoir (25) étant relié audit élément tubulaire (6) par au moins un élément de sécurité tel qu'une goupille cisaillable (28). 5. - Pompe à jet pouvant être mise en place dans un tube de production équipant un puits dont la production est activée en injectant de la surface un fluide moteur dans l'espace annulaire entre le tube de production et la paroi du puits, caractérisée en ce qu'elle est équipée d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes permettant depuis la surface la mise en place de cette pompe en position de travail dans le tube de production puis sa récupération en surface.