Brevet FR2584134A1 — publié le 19870102

PROCEDE ET EQUIPEMENT POUR L'EXPLOITATION DE GISEMENTS D'HYDROCARBURES COMPORTANT UNE PHASE GAZEUSE SEPAREE DE LA PHASE LIQUIDE. La présente invention concerne un procedé d'exploitation de gisements producteurs d'hydrocarbures. Elle s'applique aux gisements comportant une phase gazuse séparée du brut pétrolier et notamment aux gisements dits à chapeau de gaz ou "gas-cap" qui se caracterisent par la presence d'une phase gazeuse séparée du brut et rassemblée au sommet de la formation contenant les hydrocarbures dans la zone dite à "gas-cap". Le chapeau de gaz peut être d'origine ou provoqué par épuisement du gisement. Dans ces gisements, les producteurs cherchent habituellement à produire d'abord le brut, avec son gaz associe dissout, la phase de récupération du gaz situé dans le chapeau de gaz n'intervenant qu'à la fin de la vie du gisement. Cette méthode permet théoriquement la meilleure conservation de la pression du gisement en cours d'exploitation ; elle peut donc permettre de retarder ou de minimiser l'application des procédés d'activation de la production de brut par pompage de fond de puits ou allégement au gaz ("gas-lift").Cependant, cette méthode d'exploitation présente plusieurs inconvénients - elle nécessite de surdimensionner les équipements de traitement de la production ou de les modifier pour suivre l'évolution de la valeur du rapport gaz/huile ou GOR (Gas Oil Ratio) de la production au cours du temps, notamment lorsque le gaz du chapeau de gaz est mis en production ou lorsque certains des puits comportent des venues de gaz difficilement contrôlables ; - elle oblige à limiter la production unitaire des puits pour éviter les phénomènes de formation de cône de gaz ou "coning", particulièrement lorsque la couche d'huile est de faible épaisseur, ou lorsque le gisement présente une perméabilité verticale élevee. En effet, lorsque seule la couche de brut est en production, sa pression diminue beaucoup au voisinage du puits, alors que la pression du gaz diminue très peu. Le gaz a alors tendance à envahir la couche productrice : un cône de gaz se crée dans la formation autour du puits et tend à y pénétrer en reduisant la perméabilite à l'huile de la formation. I1 entrave ainsi fortement la production du brut et entraine une production de gaz supplémentaire généralement non désirée ; - elle répond mal aux besoins éventuels d'activation des puits au stade de la fin de l'exploitation du gisement. En effet le risque de venues de gaz en provenance du gas-cap est amplifié par l'activation en fond de puits par pompe de fond ou gas-lift.Or ces procédés d'activation, en particulier les pompes de fond, supportent mal le fonctionnement en conditions diphasiques à l'aspiration avec des GOR élevés. Le procédé faisant l'objet de l'invention consiste à placer dans le puits un hydrojet permettant d'activer la production en utilisant comme source d'énergie le gaz disponible dans le gisement. I1 permet la production simultanée de l'huile et du gaz du gas-cap en maitrisant bien les proportions des phases huile et gaz. Ce procédé, qui peut s'appliquer dès le début de l'exploitation d'un gisement, est utilisable jusqu'à l'abandon de l'exploitation du gisement. I1 assure une production de composition plus constante et réduit ainsi les équipements de traitement. D'une manière plus particulière, l'invention concerne un procédé d'exploitation de gisements producteurs d'hydrocarbures dans lesquels une phase gazeuse séparée du brut se rassemble dans de la formation geologique contenant les hydrocarbures, ce procedé comportant la mise en place d'au moins un tube de production dans un puits traversant la formation et d'une pompe à jet placee dans ledit tube de façon à activer la production, cette pompe à jet comportant une duse adaptée pour être alimentee en fluide moteur, ladite duse ayant un orifice de sortie qui coopère avec un ensemble melangeur-diffuseur placé dans le prolongement de cette duse. Ce procédé se caractérise en ce que l'on dispose la pompe à jet à un niveau superieur à celui de la zone productrice, on permet la remontee du gaz dans l'espace annulaire autour du tube de production jusqu'au niveau de la pompe à jet, on alimente la duse de la pompe à jet avec du gaz sous pression de ladite phase gazeuse séparée du brut au sommet de la formation et on aspire le brut par ledit tube de production à un niveau distinct du niveau d'alimentation en gaz de ladite duse. L'invention concerne egalement un equipement comportant une pompe à jet adaptée à être mise en place dans un tube de production et retirée de celui-ci par circulation à travers ce tube jusqu'à l'emplacement choisi et comportant une duse adaptee à être alimentée en fluide moteur à travers des perforations du tube de production, un organe d'étanchéité annulaire entourant ledit tube de production au-dessus desdites perforations d'alimentation de ladite duse. Cet équipement est caractérisé en ce qu'il comporte un tube d'injection d'un fluide servant à faire circuler la pompe à jet dans le tube de production, ce tube d'injection étant distinct du tube de production et traversant ledit organe d'étanchéité annulaire, ledit tube d'injection comportant à sa partie inferieure des perforations sensiblement au niveau de ladite pompe à jet, ainsi qu'un clapet situé au pied de ce tube d'injection, un organe d'étanchéité annulaire supplémentaire entourant ledit tube de production et ledit tube d'injection au-dessous desdites perforations d'alimentation de ladite duse. Des exemples de réalisation de l'invention sont illustrés par les figures suivantes - la figure 1 schématise un puits producteur de brut dans un gisement à chapeau de gaz qui présente le phénomène de formation d'un cane de gaz, - la figure 2 illustre un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention, - la figure 3 schématise un autre mode de réalisation avec un hydrojet pouvant être mis en place et retire de façon autonome par circulation de fluides, - la figure 4 detaille le dispositif permettant de rendre l'hydrojet autonome. La figure 1 schématise un puits 1 implanté dans le gisement 2. Dans ce cas, la phase gaz 3 est en contact direct avec la phase huile 4. Dans la configuration du schema, le brut est produit par l'intérieur du tube de production 5. A la base du tubage 6, apparaît le phénomène de formation d'un cône de gaz. Le cône de gaz 7 pénètre dans la couche d'huile 4 et réduit très fortement la zone productrice de brut. La figure 2 montre le puits 1 équipé d'un hydrojet 8. Un hydrojet est une pompe à jet qui se compose essentiellement d'une duse 9, surmontée d'un ensemble mélangeur 10 et diffuseur 11. L'activation de la production est réalisée par un fluide moteur 12 qui penètre dans la duse 9 par l'intermédiaire d'orifices latéraux 13 menagés dans le tube de production 5. La restriction de section de passage du fluide moteur 12 au travers de la duse 9 forme un jet à haute vitesse. Ce jet provoque une dépression qui permet d'aspirer le fluide à pomper 14 et de l'entraîner au travers du col 15. Les deux fluides se réunissent dans le mélangeur 10. Le diffuseur 11 permet de transformer en pression dynamique l'énergie cinétique acquise par les fluides. Le gain de pression ainsi obtenu permet d'apporter la puissance nécessaire pour remonter la production en surface en 16, à travers la vanne 26. L'hydrojet 8 est muni d'une garniture annulaire d'étanchéité 8a à sa partie supérieure. Des organes d'accrochage 8b (pouvant être de tout type approprié et qui ne seront pas décrits ici en détail) cooperent avec des organes complémentaires sur la paroi interne du tube de production 5 pour positionner l'hydrojet 8 au niveau souhaité dans ce tube. Des perforations 17 et 18 sont effectuees aux niveaux des zones de production d'huile et de gaz. Le nombre des perforations et leur position sont adaptés aux quantités de gaz et d'huile à produire. L'huile pénètre à la base du tube de production 5. Le gaz pénètre à la partie inférieure 22 de l'espace annulaire 20 compris entre le tube de production 5 et le tubage 6. Ce gaz sert de fluide moteur pour pomper le brut au travers de la pompe à jet 8. Un organe annulaire d'étanchéité 21 (packer) est placé au-dessus de l'hydrojet 8. L'organe d'étanchéité 21 permet d'isoler le gaz dans la partie inférieure 22 de l'espace annulaire 20. L'interface gaz-liquide 23 s'établit à un niveau qui dépend essentiellement des caractéristiques de l'hydrojet et des debits de gaz et d'huile. Ce niveau peut être adapté au fonctionnement souhaité par le choix d'une duse appropriée, calculée en tenant compte des différents paramètres débits de gaz et du brut, pressions en fond de puits... L'hydrojet 8 est placé nettement au-dessus de la zone productrice d'huile 4 afin qu'une différence de pression importante puisse s'établir entre l'entrée 24 du fluide moteur et l'aspiration du brut 25. En effet, la pression du gaz dans l'espace annulaire varie peu avec la profondeur, alors que celle du brut, qui est un fluide bien plus dense, diminue rapidement dans le tube de production 5. L'hydrojet 8 permet alors de transférer une partie de la pression motrice du gaz à l'huile aspirée, dont la production est ainsi activée. Le rendement énergétique de l'hydrojet peut être alors superieur à celui qu'entrainerait, en absence d'hydrojet, l'effet naturel d'allégement au gaz (gas-lift) si le gaz et l'huile étaient aspirés ensemble au pied du tube de production. La position de l'hydrojet est donc calculée de maniere qu'il fonctionne dans les conditions de meilleur rendement énergétique. Dans l'exemple illustré par la figure 2, l'hydrojet peut être installe dans le puits par la technique de travail au câble (wire-line), c'est-à-dire être dépose par un câble fixe à un outil de dépcse, cet outil étant accroché au niveau 8c de l'hydrojet 8. La figure 3 illustre une mise en place d'un hydrojet autonome par une technique hydraulique. Dans ce cas, la pompe 8 est équipée d'un systeme 27 permettant de descendre et remonter la pompe par simple inversion du sens de circulation de fluide dans le tube de production 5 et l'espace annulaire 20. Un tube d'injection 28 et un organe d'étanchéité supplémentaire 29 sont nécessaires pour l'injection du fluide de circulation 31 à partir de la surface, en 30. Le deuxième tube 28 est installé dans le puits 1 parallèlement au tube de production 5. Des perforations 32 pratiquées dans ce tube au niveau de l'hydrojet 8 permettent la circulation du fluide à haute pression 31 qui actionne le dispositif 27 de dépose et retrait de la pompe. Le deuxieme organe annulaire d'étanchéité 29 permet d'isoler la pompe 8 de l'espace annulaire inférieur 33 occupe par le gaz. Un clapet 34, placé au pied du tube 28 crée l'étanchéité nécessaire entre les parties inférieure 33 et supérieure 20 de l'espace annulaire, lors des operations de pose et de dispose de l'hydrojet. Le dispositif 27 est detaillé dans la figure 4. Le mecanisme s'articule autour d'un clapet sélectif 35 permettant la selection du sens de déplacement de l'hydrojet dans le tube de production 5, ce clapet étant logé dans l'élément tubulaire 41, solidaire de l'hydrojet 8. Le clapet selectif 35 comporte une bille 36, retenue entre un siège d'etanchéite 37 et une butée haute 37a. La position du clapet permet ou empêche la circulation du fluide à travers l'hydojet 8. Le siège 37 comporte plusieurs lamelles jointives 38, qui forment un ensemble coaxial creux 45, maintenu en place par un poussoir 39 contre une portée conique 40. Ce poussoir 39 est appuyé sur un ressort 42. Une goupille de sécurité 43, calculee pour se rompre sous un effort détermine, assure la fiabilité de l'ensemble en empêchant une ouverture accidentelle du systeme. Une garniture d'étanchéité 44, placée au-dessus du clapet complète l'ensemble. Le rôle du système 27 de clapet sélectif est de transformer la pression disponible dans le tube de production 5 en effort agissant sur l'hydrojet 8, afin de provoquer son déplacement lors des opérations de pose et depose, tout en laissant le libre passage au fluide, lors de la phase de pompage. La mise en oeuvre du dispositif est indiquee ci-dessous: 1. Descente de l'hydrojet La bille 36 est placée dans la position basse, maintenue contre le siège 37. La goupille 43 maintient l'ensemble coaxial 45 dans sa position, ce qui empêche la bille 36 de descendre. L'injection de fluide sous pression en 46 dans le tube de production 5 cree une pression qui exerce un effort vertical descendant sur l'hydrojet 8, le fluide ne pouvant pas circuler à travers celui-ci. Cet effort est suffisant pour entrainer l'hydrojet jusqu'à sa position d'ancrage dans le tube 5. 2. Hydrojet en cours de production L'entrée du fluide moteur en 47, par l'espace annulaire 20 pousse la bille 36 vers la butee haute 37a, ce qui permet d'activer le puits en produisant les fluides suivant le trajet indiqué par les flèches. Le fluide moteur est du gaz qui provient de l'espace annulaire inférieur 33 et qui transite par le tube 28, le clapet 34 étant dans la position ouverte et la vanne 30a étant fermée. 3. Dépose de l'hydrojet 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 5. La bille 36 revient sur le siège 37. Une surpression relativement importante engendre un effort suffisant pour cisailler la goupille 43. L'effort comprime le ressort 42, le siège 37 est poussé vers le bas. Les lamelles 38 s'écartent, lais sant passer la bille 36, qui vient se loger dans l'ensemble coaxial 45. L'arrêt de l'injection équilibre les pressions dans le tube de production 5, supprimant l'effort agissant sur la bille 36 : le ressort 42 reprend alors sa position initiale et la bille 36 se trouve emprisonnée dans le logement 45. Après inversion de la circulation de fluide (injection du fluide par l'espace annulaire 20), la montée de la pression dans l'hydrojet 8 etablit un effort ascendant permettant le déverrouillage de l'hydrojet et sa remontée dans le tube de production 5. La technique de l'invention, dont deux modes de réalisation sont cités ci-dessus, évite aux producteurs les problèmes inhérents à la formation d'un cône de gaz ou "coning", principalement les venues de gaz incontrôlables, la réduction de la productivite, les variations des caractéristiques de la production. I1 permet d'augmenter la production de brut en utilisant le gaz comme source énergétique d'activation. La production présente des caractéristiques plus stables et mieux connues, ce qui permet de dimensionner correctement les installations de traitement en surface et de garder les mêmes infrastructures durant une grande partie de la vie du gisement. REVENDICATIONS 1. - Procédé d'exploitation de gisements producteurs d'hydrocarbures dans lesquels une phase gazeuse séparée du brut se rassemble dans la formation géologique contenant les hydrocarbures, ce procédé comportant la mise en place d'au moins un tube de production dans un puits traversant la formation et d'une pompe à jet placée dans ledit tube de façon à activer la production, cette pompe à jet comportant une duse adaptée pour être alimentée en fluide moteur, ladite duse ayant un orifice de sortie qui coopère avec un ensemble mélangeur-diffuseur place dans le prolongement de cette duse1 caractérisé en ce que l'on dispose la pompe à jet (8) à un niveau supérieur à celui de la zone productrice (4), on permet (21) la remontee du gaz dans l'espace annulaire (20) autour du tube de production (5) jusqu'au niveau de la pompe à jet (8), on alimente (13) la duse (9) de la pompe à jet (8) avec du gaz sous pression de ladite phase gazeuse (3) séparée du brut au sommet de la formation et on aspire le brut (4) par ledit tube de production (5) à un niveau distinct du niveau d'alimentation en gaz de ladite duse (9). 2. - Equipement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant (Fig. 3) une pompe à jet (8) adaptée à être mise en place et retirée dans un tube de production (5) par circulation à travers ce tube jusqu'à l'emplacement choisi et comportant une duse (8) adaptée à être alimentée en fluide moteur à travers des perforations (13) du tube de production, un organe d'étanchéité annulaire (21) entourant ledit tube de production (5) au-dessus desdites perforations (13) d'alimentation de ladite duse (8), caractérise en ce qu'il comporte un tube d'injection (28) d'un fluide servant à faire circuler la pompe à jet (8) dans le tube de production (5), ce tube d'injection (28) étant distinct du tube de production (5) et traversant ledit organe d'étanchéité annulaire (21), ledit tube d'injection (28) comportant à sa partie inférieure des perforations (32) sensiblement au niveau de ladite pompe à jet (8), ainsi qu'un clapet (34) situé au pied de ce tube d'injection (28), un organe d'étanchéité annulaire supplementaire (29) entourant ledit tube de production (5) et ledit tube d'injection (28) au-dessous desdites perforations (13) d'alimentation de ladite duse (8).