Brevet FR2603205A1 — publié le 19880304

Dispositif de séparation et d'extraction des composants de densités différentes d'un effluent. La présente invention concerne un dispositif de séparation et d'extraction des composants de densités différentes d'un effluent et, plus particulièrement, un dispositif utilisable dans un forage pétrolier pour séparer l'eau du brut constituant principalement l'effluent ayant pénétré dans un puits de forage. Les puits de gaz et/ou d'huile traversent des formations dont un ou des gisements exploités comprennent, outre de l'huile ou du gaz, des produits indésirables tels que de l'eau généralement salée et ce, dans de grandes quantités pouvant atteindre jusqu'à 90 % de l'effluent, surtout vers la fin de l'exploitation du gisement. Divers procédés ont été utilisés pour séparer et extraire l'huile et/ou le gaz de l'eau salée. Un premier procédé consiste à extraire la totalité de l'effluent hors du puits de forage et à séparer les composants en surface. La séparation étant faite par divers moyens tels que par gravité, l'huile et/ou le gaz est récupéré tandis que l'eau salée est réinjectée dans une zone de réinjection le plus souvent à travers un autre puits. Un tel procédé a été abandonné pour des raisons économiques et également pour des raisons techniques compte tenu des énergies à produire pour remonter l'effluent depuis le gisement jusqu'à la surfact avant la séparation de l'huile et/ou gaz de l'eau salée. Un deuxième procédé connu consiste à séparer l'huile et/ou le gaz de l'eau au-dessous de la surface du sol de façon que l'huile soit seule remontée en surface, l'eau étant réinjectée dans une formation autour du puits et généralement dans une formation située au-dessus ou au-dessous du gisement à exploiter. Les brevets US 4 241 787 et 4 296 810 concernent un procédé pour extraire de l'huile d'un effluent fluidique contenant à la fois de l'huile et de l'eau, le procédé consistant à amener l'effluent du gisement dans un séparateur disposé dans le puits de forage, à faire passer l'effluentà-travers un iltre-çerméa- ble à l'un des composants et disposé dans ledit séparateur, à maintenir un gradient de pression à travers le filtre, puis à pomper l'huile séparée sur un coté du filtre et à pomper l'eau sur l'autre côté dudit filtre pour la réinjecter dans une zone de réinjection. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé indiqué brièvement ci-dessus, comprend deux pompes montées en parallèle et entrainées à partir d'un moteur électrique unique, la mise sous pression de l'effluent étant réalisée en réponse à la pression développée dans le gisement et à l'aspiration produite par l'ensemble des groupes, à travers le séparateur Toutefois, de tels procédé et dispositif nécessitent une pompe pour chaque composant de l'effluent et l'utilisation d'un séparateur de structure relativement compliquée. En effet, l'effluent doit traverser une première matière filtrante de manière à éliminer les particules solides, comme par exemple des grains de sable, puis des membranes semi-perméables adaptées à chaque composant de l'effluent. En raison de la spécificité meme des membranes, il est souhaitable d'en utiliser plusieurs pour chaque composant afin d'éviter qu'elles ne se déchirent sous l'action des pressions élevées mises en jeu. L'énergie développée par les pompes doit non seulement etre importante pour vaincre la résistance des filtres du séparateur mais doit encore tre suffisante pour remonter l'huile extraite vers la surface et rejeter l'eau salée dans la zone de réinjection choisie. D'ailleurs, lorsque l'énergie de réinjection est trop importante, alors il est conseillé de faire également remonter l'eau salée vers la surface, ce qui montre, si besoin est, les limites d'un tel dispositif. Enfin, il n'est pas aisé de remédier aux incidents qui pourraient survenir à l'une des pompes et, plus particulièrement à celle qui est située au niveau le plus inférieur, car il faut remonter d'abord la pompe qui se trouve audessus. Un autre dispositif connu est celui décrit dans le brevet US 3 167 125 où la séparation des composants de l'effluent est réalisée par gravité dans le puits de forage, l'extraction du composant le plus lourd étant effectuée à travers une pompe à tige apte à aspirer ledit composant lourd et à le rejeter dans une zone de réinjection choisie. Le composant plus léger étant remonté en surface par la seule pression existante dans le gisement exploité, toutefois, lorsque la pression du gisement est insuffisante il est alors nécessaire d'utiliser une autre pompe pour extraire ledit composant léger. La présente invention a pour objet principal un dispositif capable de réaliser une séparation in situ dans le puits de forage et d'extraire les compo sants de l'effluent à l'aide d'une seule pompe, le composant le plus léger étant remonté en surface et le composant le plus lourd étant réinjecté dans une zone de réinjection prédéterminée. Le dispositif selon l'invention est du type comportant des moyens de séparation, par gravité, desdits composants : des moyens d'extraction du composant de plus haute densité , des moyens pour réinjecter le composant extrait dans une zone de réinjection à travers des perforations ménagées dans le tubage externe ; des moyens pour amener le composant de plus faible densité vers une te te de puits, et il est caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués par un séparateur distinct fermé logé dans le puits, et en ce qu'il comprend une pompe unique aspirant l'effluent après introduction dans le tubage externe et amenant ledit effluent dans ledit séparateur dans lequel les composants dudit effluent sont séparés par gravité, ladite pompe maintenant dans ledit séparateur une pression supérieure à la plus forte pression nécessaire pour extraire l'un des composants , au moins un régulateur de sortie du composant de plus faible densité monté dans une conduite d'extraction dudit composant et au moins un régulateur de sortie de l'autre composant monté dans une conduite d'extraction dudit autre composant. Un avantage de la présente invention réside dans le fait qu'une seule pompe est utilisée aussi bien pour l'alimentation du séparateur en effluent que pour l'extraction de chacun des composants dudit effluent, les régulateurs de sortie montés sur les conduites respect1Xres d'extraction autorisant les extractions des composants lorsque les conditions normales de fonctionnement sont remplies. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, l'extraction du composant le plus lourd est effectuée aussi bien au-dessous qu'au des sus du gisement ou zone de production. Suivant une autre caractéristique de la pré sente invention, les conduites d'extraction des compo sants sont constituées par une conduite unique munie de moyens de séparation des composants entre eux, la dite conduite traversant le séparateur, ce qui permet de réduire l'encombrement dans le puits de forage. Suivant une autre caractéristique, la conduite d'extraction traverse également la pompe afin de réduire davantage l'encombrement dans le puits de forage. D'autres caractéristiques et avantages ressor tirons mieux à la lecture de plusieurs modes de réali sation du dispositif selon l'invention, ainsi que des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe schématique d'un puits de forage dans lequel est disposé le dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une représentation schématique du dispositif dans une partie du puits de forage la figure 3 est une vue partielle représentant une partie du dispositif réinjectant un des composants dans une zone de réinjection située au-dessus du gisement; la figure 4 est une représentation schématique d'une variante du dispositif selon la présente invention la figure 5 est une représentation synoptique d'un ensemble de commande. Dans tout ce qui suit, on appelle - zone de ré injection une zone du sous-sol dans laquelle le composé le plus lourd, en l'occurence de l'eau salée, est rejetée - zone de production la nappe de l'effluent à exploiter, ledit effluent comprenant comme principaux composants de l'huile pouvant être désigné comme étant un brut et de l'eau salée, dans des proportions qui peuvent varier considérablement d'une nappe à une autre ; la zone de production peut également etre dénommée gisement. En se référant maintenant aux dessins et notamment à la figure 1, une pluralité de formations sont traversées par un puits de forage 1 qui est foré au moyen de techniques connues. Un tubage externe 2 est cimenté dans le puits 1 et reçoit un tubage de production ou interne 3 qui est utilisé généralement pour la remontée et l'évacuation de l'effluent. Après que le tubage 2 ait été cimenté, il est perforé au niveau des zones de production 4 et de réinjection 5 dont les positions et les caractéristiques physiques sont déterminées par les procédés connus de forage et/ou de diagraphie. La partie perforée 6 dans la zone de production 4 permet à l'effluent contenu dans ladite zone 4 de pénétrer à l'intérieur du tubage 2, et la partie perforée 7 dans la zone de réinjection permet à l'eau séparée de l'effluent suivant la présente invention d'être réinjectée latéralement dans la zone de réin- jection 5. Parmi les caractéristiques mesurées dans les zones de production 4 et de réinjection 5 figurent celles relatives aux pressions développées dans lesdites zones, de manière à déterminer les énergies qu'il y a lieu de produire pour remonter le brut vers une te te de puits 9 ancrée à la surface du sol 8, et pour réinjecter l'eau dans la zone de réinjection 5. Le dispositif selon l'invention désigné dans son ensemble par la référence 10 est logé dans le tubage 2. La partie inférieure 11 d'une conduite d'évacuation 12 de l'eau est prolongée jusqu'à ce qu'elle atteigne la partie perforée 7. Une garniture d'étanchéité ou packer 13 est montée autour de ladite partie de conduite 11 de manière à isoler entre elles les parties perforées 6 et 7. Le dispositif 10, figure 2, comprend un séparateur 14 constitué par une enceinte fermée, une pompe électrique 15 aspirant l'effluent à travers une conduite d'entrée 16 et refoulant sous pression ledit effluent dans le séparateur 14 à travers une conduite d'alimentation 17 se prolongeant par une partie 18 dans le séparateur jusqu'à une certaine hauteur. L'effluent est maintenu sous pression dans le séparateur 14. Les composants de l'effluent se séparent par gravité en raison de leur densité différente. L'eau 19 qui est plus lourde s'accumule dans la partie inférieure du séparateur 14 et le brut 20, plus léger, s'accumule dans la partie supérieure du séparateur. Les conduits d'extraction 21 et 22 de l'eau 19 et du brut 20 sont constitués par une conduite unique qui est dans le prolongement du tubage interne 3 et qui traverse de part en part le séparateur 14, l'eau circulant dans la portion du tubage 3 dirigée vers le bas et le brut circulant dans la portion du tubage dirigée vers le haut.Dans le tubage 3, les parties 21, 22 respectivement pour l'extraction de l'eau et du brut sont délimitées au moyen d'un bouchon 23 susceptible d'être retiré par un extracteur désigné usuellement par le terme wire-line. La portion de tubage 21 est munie d'une petite conduite d'aspiration d'eau 24. Deux détecteurs de niveau 25, 26 d'eau sont montés sur la paroi interne du séparateur. Le détecteur 25 détecte le niveau maximum que doit atteindre l'eau dans le séparateur 14 et commande l'ouverture d'un régulateur de sortie d'eau 27 monté dans la portion de tubage 21, à l'extérieur du séparateur 14. Le détecteur 26 détecte le niveau minimum de l'eau dans le séparateur 14 et commande la fermeture du régulateur 27. Un régulateur de sortie d'huile 28 est monté dans la portion 22 du tubage interne 3, à l'extérieur et au-dessus du séparateur 14. Des perforations 29 sont ménagées dans la portion de tubage 22 et permettent le passage du brut 20 du séparateur à l'intérieur de ladite portion 22. Un détecteur électronique 30 détecte en permanence la pression interne dans le séparateur 14 de façon à pouvoir faire varier l'énergie fournie par la pompe 15 en fonction des variations de pression susceptibles d'apparaitre au cours du fonctionnement du dispositif. Un détecteur 31 de qualité de l'eau extraite est monté, à l'extérieur de la portion de tubage 12, à proximité du fond du séparateur 14, de manière à pouvoir contrôler en permanence la pureté de l'eau qui est réinjectée dans la zone de réinjection 5, et couper si besoin est le fonctionnement du régulateur 27. Les différents cables électriques 32 d'alimentation électrique de la pompe 15 et des détecteurs du dispositif, ainsi que les lignes de contrôle 33 des régulateurs hydrauliques 27 et 28 sont, de préférence, rassemblés dans une conduite 34 munie à son extrémité inférieure d'un presse-étoupe 35 et réunie au tubage interne par une pince de fixation 36. Le fonctionnement du dispositif décrit cidessus est le suivant L'effluent de la zone de production 4 pénètre dans le puits 1 par la zone perforée 6 de la manière indiquée par les flèches sur la figure 1. L'effluent est ensuite aspiré par la pompe 15 qui alimente le séparateur 14 par les conduites 17 et 18. L'énergie délivrée par la pompe 15 est telle qu'elle permet la réinjection de l'eau dans la zone de réinjection et la remontée de l'huile dans le tubage interne 3. Pour cela, on détermine, à l'avance, la plus forte pression à fournir. Le choix de la Localisation de la zone de réinjection permet également de savoir à quelle pression il faut réinjecter l'eau, laquelle pression est par exemple de 100 bars. Par ailleurs, si la colonne d'huile dans le tubage interne 3 équivaut à une pression de 80 bars, alors on choisira une pompe 15 qui fournira une énergie supérieure à 100 bars de manière à avoir la certitude que la pression nécessaire à la réinjection de l'eau sera suffisante, celle, plus basse, nécessaire à la remontée de l'huile dans le tubage interne 3 étant également assurée. La mise sous pression de l'effluent dans le séparateur 14 est contrôlée en permanence par le détecteur 3C qui permet de modifier l'ouverture du régulateur 28 et d'agir sur le fonctionnement de la pompe 15 en cas 9 augmentation de pression dans le séparateur 14 tout au long de l'exploitation de la zone de production dont les conditions physiques peuvent changer au cours du temDs. La séparation entre l'eau et l'huile est réalisée par gravité dans le séparateur, l'eau, plus lourde, s'accumulant dans la partie inférieure du séparateur et l'huile, plus légère, s'accumulant dans la partie supérieure dudit séparateur. Pendant la séparation, le régulateur hydraulique de sortie d'eau 27 est fermé jusqu a ce que l'eau atteigne le niveau maximum dans le séparateur, et le régulateur de sortie d'huile 28 es; ouvert pour permettre la remontée de l'huile en surfac et maintenir la pression dans le séparateur, l'ouverture du régulateur 28 étant fonction des débits respectifs de l'eau et de l'huile dans les conduites corresiondantes. Lorsque le niveau d'eau atteint le détecteur 25, celui-ci commande l'ouverture du régulateur 27. l'eau est alors aspirée par la conduite 24, passe dans la conduite 12 puis est réinjectée à travers la conduite 11 et les perforations de la zone 7, dans la zone de réinjection 5. L'huile du séparateur 14 passe à travers les perforations 29 de la conduite 22 et remonte vers la tête de puits 9 à travers le tubage interne 3. Si la qualité de l'eau réinjectée n'est pas assez bonne, le détecteur 31 ferme le régulateur 27 et les préposés à la surveillance interviennent pour améliorer la séparation des composants dans le séparateur 14, par exemple en augmentant le temps de rétention de l'effluent dans le séparateur, notamment par une réduction du débit de la pompe. Lorsque le niveau de l'eau dans le séparateur atteint celui du détecteur 26, ce dernier ferme le régulateur 27 et le cycle d'alimentation du séparateur 14 en effluent continue. Suivant une variante représentée sur la figure 3, la zone de réinjection de l'eau est située au-dessus de la zone de production. Les mêmes éléments que ceux du dispositif de la figure 1 sont désignés par les mêmes références. Dans cette variante, les conduites d'évacuation d'eau et d'huile ne sont plus dans le prolongement l'une de l'autre mais décalées l'une par rapport à l'autre. En outre, le détecteur de qualité d'eau 31 et le régulateur de sortie d'eau 27 sont disposés à l'intérieur du séparateur 14. Des garnitures d'étanchéité doubles sont prévues, l'une 40 entre le séparatuer 14 et la partie perforée 7 afin d'isoler la zone de production de la zone de réinjection, l'autre 41 au-dessus de la partie perforée 7 afin d'isoler la partie du tubage externe située au-dessus de ladite partie perforée 7. Le fonctionnement du dispositif est le même que celui décrit à propos de la figure 2. I1 peut arriver que la place disponible dans le tubage externe 2 soit réduite et qu'on ne puisse installer le dispositif de la manière représentée sur la figure 2. Dans ces conditions, on peut réaliser le dispositif de la manière représentée sur la figure 4. La conduite d'évacuation d'eau 11, 12 qui est dans le prolongement de la conduite d'huile 22, est disposée dans l'axe de la pompe 15 et coaxialement au tubage externe 2. La conduite d'alimentation 17 est alors légèrement décalée par rapport à l'axe de la pompe 15. Des garnitures d'étanchéité appropriées, dont une 43 est représentée sur la figure 4, sont prévues pour assurer l'étanchéité de la conduite 11. La conduite 34 aboutit à un ensemble de commande 50 . L'ensemble de commande 50 comprend une pompe hydraulique 51 qui refoule de l'huile hydraulique très fluide sous pression dans une conduite 52 sur laquelle est disposé un accumulateur de pression 53. La conduite 52 alimente deux électrovannes 54, 55. L'électrovanne 54 est reliée électriquement aux détecteurs 25 et 26 et hydrauliquement au régulateur 27. L'électrovanne 55 est reliée électriquement au détecteur 30 et hydrauliquement au régulateur 28. Chacune des électrovannes est reliée par une conduite de purge 56,57 à une réserve d'huile 58. Les électrovannes 54, 55 modifient la pression de l'huile dans les régulateurs 27 et 28 en déviant une partie de l'huile sous pression fournie par la pompe 51 et l'accumulateur 53 à travers les conduites de purge 56, 57. Ainsi, les ouvertures des régulateurs 27 et 28 se trouvent constamment contrôlés depuis la surface. Les alimentations électriques de la pompe 51 et des électrovannes 54 et 55 sont amenées depuis une source électrique non représentée à travers des conducteurs 59, 60. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes réalisation de l'exemple décrit et représenté, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de séparation et d'extraction des composants de densités différentes d'un effluent disponible dans une zone de production (4) d'un puits pétrolier (1) muni d'un tubage externe (2) perforé au niveau (6) de la zone de production (4), et d'un tubage interne (3), du type comportant des moyens de séparation (14), par gravité, desdits composants des moyens d'extraction (15) du composant de plus haute densité : des moyens (15) pour réinjecter le composant extrait dans une zone de réinjection (5) à travers des perforations (7) ménagées dans le tubage externe (2) ; des moyens (15) pour amener le composant de plus faible densité vers une tête de puits (9), caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués par un séparateur distinct fermé (14) logé dans le puits (1), et en ce qu'il comprend une pompe unique (15) aspirant l'effluent après introduction dans le tubage externe (2) et amenant ledit effluent dans ledit séparateur (14) dans lequel les composants dudit effluent sont séparés par gravité, ladite pompe maintenant dans ledit séparateur une pression supérieure à la plus forte pression nécessaire pour extraire l'un des composants ; au moins un régulateur de sortie (28) du composant de plus faible densité monté dans une conduite d'extraction (22) dudit composant et au moins un régulateur de sortie (27) de l'autre composant monté dans une conduite (12) d'extraction dudit autre composant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduites d'extraction (12 et 22) des composants sont constituées par une conduite unique traversant ledit séparateur (14), ladite conduite débouchant par une de ses extrémités (11) à proximité de la zone perforée (7) et étant reliée par l'autre extrémité au tubage interne (3). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des détecteurs de niveaux haut (25) et bas (26) du composant de plus haute densité. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conduite unique est munie d'un bouchon (23) pour séparer les composants ent-re-eux dans ladite conduite unique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, au moins un détecteur (31) de qualité d'un des composants extraits. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un détecteur (30) de pression intérieure du séparateur (14). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la conduite d'extraction du composant de plus faible densité est munie d'orifices (29) faisant communiquer l'intérieur du séparateur (14) avec l'intérieur de ladite conduite d'extraction. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur (14) est disposé entre les zones de production (4) et de réinjection (5). 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de réinjection (5) est située au-dessus de la zone de production (4), et en ce que les conduites d'extraction (12) et(22) sont distinctes et disposées dans ledit séparateur (14), des garnitures d'étanchéité (40) et (41) étant montées dans le tubage externe (2) de part et d'autre de la partie perforée (7) à travers laquelle est réinjecté le composant de plus haute densité. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les conduites d'extraction des composants traversent la pompe suivant son axe. 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de commande (50), une réserve d'huile (58) alimentant à travers une pompe (51) au moins deux électrovannes (54, 55) de commande des régulateurs d'eau (27) et d'huile (28). 12. Dispositif selon la revendication 11 caractérisé en ce que chaque électrovanne (54, 55) est reliée par une conduite de purge (56,57) à la réserve d'huile (58). 13. Procédé de séparation et d'extraction des composants de densités différentes d'un effluent produit dans un puits de forage, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire l'effluent à l'intérieur d'un tubage externe disposé dans le puits, à aspirer ledit effluent pour alimenter un séparateur disposé dans ledit tubage externe, à maintenir l'effluent sous pression dans ledit séparateur, à laisser les composants se séparer par gravité dans ledit séparateur, à commander l'extraction des composants lorsqu'un des composants atteint un niveau prédéterminé dans ledit séparateur, à réinjecter le composant de plus haute densité dans une zone de réinjection, et à faire remonter le composant de plus faible densité vers des moyens de récupération en surface du puits. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'extraction des composants est arrêtée lorsqu'un desdits composants atteint un niveau inférieur prédéterminé.