Brevet FR2622248A1 — publié le 19890428

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour mesurer le déplacement d'une tige de pompage d'un puits pompé aux tiges dans un tube de production. Les mesures du déplacement d'une telle tige de pompage en surface et de la contrainte à laquelle est soumise cette tige sont couramment effectuées et servent à la construction du diagramme course-effort, dit diagramme de Leuter, comme cela est décrit, par exemple, dans le brevet US n 4.583.915 de Montgomery et al. Des programmes de calcul permettent de transposer le diagramme construit à l'aide de valeurs mesurées sur une tige extérieure au puits, à ce qu'il pourrait devenir à l'intérieur du puits, notamment sur la tige inférieure située immédiatement au-dessus de la pompe. C'est en effet le comportement des tiges inférieures qui doit être connu afin d'optimiser les paramètres de pompage. Dans diverses circonstances, notamment lorsque des vérifications sur place ont été possibles, ou à l'occasion de ruptures des tiges, il est apparu que la transposition des données de surface à des pièces en mouvement dans le puits présente beaucoup d'aléas. La mesure des contraintes sur une tige en fond de puits est de technique connue et la transmission en surface des mesures effectuées au fond peut être réalisée par un fil, par un système -acoustique utilisant la boue de l'annulaire comme milieu de propagation, ou encore stockées au fond sur une mémoire vive (en anglais Random Access Memory ou R.A.M.) exploitée après la remontée du train de tiges. La mesure du déplacement de la tige au fond du puits a été obtenue sur un puits expérimental par la mise en place d'un tube de production usiné spécialement et d'un détecteur de proximité. Les indications obtenues étaient amenées en surface par un câble. La mise en place d'un tube de production portant sur sa paroi interne un marquage constitue une contrainte dont il fallait s'affranchir afin de rendre cette technique opérationnelle, tel est l'objet de la présente invention qui a réduit la mise en oeuvre du matériel de contrôle à une remontée des tiges de pompage. Dans le procédé de mesure, selon l'invention, du déplacement d'une tige de pompage d'un puits pompé aux tiges dans un tube de production, dans lequel successivement: - on crée sur la paroi interne du tube de production un premier pôle magnétique à l'aide d'un premier champ d'excitation très bref d'axe polaire orthogonal à l'axe du tube, - on détecte ledit premier pôle magnétique à l'aide d'un détecteur de champ dont l'axe polaire est orthogonal à l'axe du tube et, simultanément, on crée sur la paroi interne du tube un second pôle magnétique à l'aide du même champ d'excitation que précédemment, les axes polaires du champ d'excitation et du champ détecteur étant espacés et solidaires de la tige d'une distance fixe fonction de la géométrie dudit détecteur, - on efface le premier pôle magnétique à l'aide d'un premier champ alternatif d'axe polaire orthogonal au tube et espacé de l'axe du champ de détection, - et ainsi de suite. Dans un mode d'exécution simplifié: - on détecte le changement du sens de déplacement de la tige, par l'observation du changement de polarité du champ détecté, une polarité correspondant à un seul sens de déplacement du capteur. Dans un mode préférentiel d'exécution, - au préalable, on efface toute trace de magnétisme sur la paroi interne du tube par un second champ alternatif dont l'axe polaire est orthogonal à l'axe dudit tube à une distance fixe en avant de l'axe polaire du premier pôle magnétique, - en même temps que l'on crée un premier pôle magnétique sur la paroi interne du tube à l'aide d'un premier champ d'excitation d'axe polaire orthogonal à l'axe du tube, on crée sur la même paroi un second pôle magnétique de signe opposé à celui du premier à l'aide d'un second champ d'excitation dont l'axe polaire est symétrique du premier par rapport à l'axe polaire du champ de détection, et, - on efface toute trace de magnétisme résiduel sur la paroi interne du tube avec le premier champ alternatif. Dans les divers modes de réalisation du procédé, on détermine la vitesse de déplacement de la tige en comparant l'espacement entre les axes polaires des champs d'excitation et de détection et la valeur du temps écoulé entre marquage et détection. Un dispositif, selon l'invention, de mesure du déplacement d'une tige de pompage d'un puits pompé aux tiges dans un tube de production comprend, fixes par ladite tige de pompage, successivement: - un premier moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube, - un moyen de détection dudit pôle magnétique, moyen dont l'axe polaire est orthogonal au tube, à une distance donnée de l'axe du moyen précédent, et, - un premier moyen d'effacement dudit pôle magnétique, et - un moyen de détection de l'inversion du sens de déplacement de la tige entrainant l'inversion des pôles lus au moyen du détecteur de pôles magnétiques et un moyen d'effacement dudit pôle. Suivant un mode préférentiel de réalisation, le dispositif comporte en outre: - un second moyen d'effacement des pôles magnétiques sur la paroi interne d'un puits, situé avant le premier moyen de création d'un pôle magnétique, et - un second moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube, situé entre le moyen de détection et le premier moyen d'effacement des pôles. Dans les divers modes de réalisation, - le premier et le second moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube consistent en un dispositif inducteur d'un champ magnétique, de temps d'excitation très bref et d'axe polaire orthogonal au tube, et - le premier et le second moyen d'effacement dudit pôle magnétique consistent en un dispositif inducteur d'un champ magnétique alternatif d'axe polaire orthogonal au tube. Suivant un mode préférentiel de réalisation, les axes polaires du premier et du second moyen de création d'un pôle magnétique, sont symétriques par rapport à l'axe du moyen de détection de pôle magnétique, tout comme les axes du premier et du second moyen d'effacement des pôles magnétiques. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description d'un mode préféré de l'invention, donnée à titre indicatif mais non limitatif, ainsi que des dessins annexés: - Figure 1: Dispositif expérimental. - Figure 2: Dispositif avec créateur, détecteur et effaceur d'un marquage magnétique sur le tube de production avec inverseur des fonctions de création et effacement. - Figure 3: Dispositif tel que le précédent et automatiquement reversible. - Figure 4: Bobines d'induction (détail de la figure 3). - Figure 5: Diagramme (Force - course) de surface. - Figure 6: Diagramme (Force - course) de fond mesuré. - Figure 7: Diagramme (Force - course) de fond calculé (sans friction) Figure 8: Diagramme (Force - course) de fond calculé (avec friction). La figure 1 constitue une section schématique d'un dispositif expérimental o l'on distingue un piston 1 en bout d'une colonne de tiges de pompage (2), mobile en translation à l'intérieur d'un corps de pompe (3) constituant l'extrémité inférieure d'un tube de production (4). Le corps de pompe (3) est muni à sa partie inférieure d'un clapet de pied (5). Dans ce dispositif expérimental, le tube de production (4) comporte un premier élément (6) muni de rainures, telles que (7), tracées sur la paroi interne (8) perpendiculairement à l'axe du tube (4). Ces rainures (7), également espacées, constituent une échelle fixe qu'un capteur de proximité (9) solidaire de la tige de pompage (2) détecte lors de son passage. A peu de distance du capteur de proximité (9) dont le rôle est celui de capteur de déplacement, est installé, sur la tige de pompage (2), un capteur d'effort (10). Le capteur de déplacement (9) et le capteur d'effort (10) sont reliés à la surface par des conducteurs électriques constitués par des câbles isolés tels que (11) et (12) maintenus en place par des centreurs (13) régulièrement espacés. C'est à l'aide d'un tel dispositif expérimental que la démonstration a été faite qu'il était possible de réaliser un diagramme déplacement effort pour la tige immédiatement située au-dessus du piston et que la qualité de ce diagramme en fait un instrument précieux pour l'optimisation des paramètres de pompage. Sur la figure 2, on retrouve un piston (1) en bout d'une colonne de pompage (2), mobile en translation dans un corps de pompe (3) constituant l'extrémité inférieure d'un tube de production (4). Le corps de pompe (3) est muni, à sa partie inférieure, d'un clapet de pied (5). Le dispositif selon l'invention est constitué par un ensemble autonome fixé sur l'élément inférieur de la colonne de tiges de pompage (2). Cet ensemble autonome comprend un capteur d'effort (10), un capteur de déplacement perfectionné (14), et des moyens auxiliaires de commande (15), d'enregistrement (16) et de stockage des données et paramètres mesurés (17). Le capteur de déplacement perfectionné (14) comprend, situées de part et d'autre d'un capteur de champ magnétique (9), deux bobines (18) et (19) dont les fonctions s'inversent sur commande du dispositif (15), la bobine (18) étant un moyen de marquage magnétique de pôles sur la paroi interne (8) du tube de production (4) et la bobine (19) étant un moyen d'effacement magnétique du marquage opéré par la bobine (18). Annexé au moyen auxiliaire de commande (15) se trouve un détecteur, non figuré, de l'inversion du sens de déplacement de la tige de pompage programmé de telle façon que l'inversion de ce sens de déplacement entraîne l'inversion des r1ôles joués par les bobines (18) et (19) de sorte que (18) devient un moyen d'effacement et (19) un moyen de création d'un pôle sur la paroi interne (8) du tube de production (4). La figure 3 montre dans la même situation que sur la figure 2 un capteur de déplacement perfectionné (14') qui fonctionne aussi bien pour la descente que pour la remontée de la tige, dispensant donc d'installer un détecteur d'inversion de marche et une commande d'inversion des fonctions des deux dispositifs (18) et (19). Le changement de sens du capteur est alors détecté par l'inversion de polarité du champ créé. Un capteur de déplacement (14') tel que schématisé sur la figure 3 comprend successivement de haut en bas: - une bobine (19) d'effacement des pôles magnétiques sur la paroi interne du tube, - une bobine (18) de création d'un pôle magnétique sur ladite paroi, - un détecteur (9) dudit pôle magnétique, - une bobine (18') de création d'un pôle magnétique sur ladite paroi, - une bobine (19') d'effacement des pôles magnétiques sur ladite paroi. Ce dispositif est symétrique par rapport à l'axe du détecteur (9). Les bobines (18) et (18') sont en série sur un circuit parcouru par un courant pour des temps d'excitation très brefs. Les bobines (19) et (19') sont en série sur un circuit parcouru par un courant dont la fréquence est cinq fois celle des bobines de marquage (18) et (18') et provoque l'effacement de tout pôle magnétique sur la paroi interne du tube de production (4). Ce dispositif fonctionne aussi bien à la descente qu'à la montée sans qu'à l'inversion de sens de marche il y ait de manoeuvre à effectuer comme c'était le cas avec le dispositif selon la figure 2. L'adoption du dispositif selon la figure 3 a conduit à une grande simplification des mécanismes de commande au fond et ainsi à l'élimination de nombreuses sources d'erreurs ou d'ambiguité dans la lecture des données. Les moyens auxiliaires de commande (15) sont, pour le dispositif selon la figure 3, constitués par un mécanisme de déclenchement du dispositif à partir de la surface, par exemple à l'aide d'un à-coup de pression. L'arrêt du dispositif est programmé par l'opérateur après le temps de mesure désiré. Les moyens d'enregistrement sur mémoire vive (R.A.M.) (16) et de stockage de l'énergie (17) sous la forme de piles ou de batteries au Lithium sont conservés sans changement. La figure 4 montre comment les bobines (18) et (18') de création de pôles magnétiques sur la paroi interne du tube de production (4) de même que les bobines (19) et (1.9') d'effacement de pôles magnétiques sur ladite paroi ont leurs noyaux constitués par les portions terminales de tiges métalliques de forme demi elleptique (respectivement 18" et 19"). Cette disposition assure le meilleur rendement pour le fonctionnement de ces dispositifs électromagnétiques. Les figures 5, 6, 7, 8 permettent d'établir une comparaison entre l'enregistrement en surface (fig. 5) l'enregistrement de fond avec un dispositif selon l'invention (fig. 6) et deux enregistrements de surface transformés à l'aide de programmes de calcul, figure 7, sans calcul de friction et figure 8 avec calcul de friction. Ces diagrammes, comme il est de technique courante, portent, en abscisse la course en mètres et en ordonnée, la charge de la pompe en tonnes. Une comparaison entre les trois diagrammes de fond peut être établie à l'aide du tableau suivant: Diagramme Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Course (mètres) 2,45 2,45 2,45 Effort mini-maxi (+) 1,650 2,33 1,916 Effort mini (+) 0 -0, 626 -0,413 Effort maxi (+)1,650 +1,704 +1,503 Les courses calculées sont, dans beaucoup de cas, très voisines des courses mesurées. Les "rebonds" au point mort bas (20), que l'on observe sur les diagrammes calculés, n'apparaissent pas sur le diagramme obtenu par mesure au fond. Le diagramme réel au fond est bien plus régulier que les diagrammes obtenus par calcul à partir d'enregistrements de surface, il faut admettre que l'amortissement par la colonne est très efficace. Il n'en reste pas moins que l'enregistrement au fond permettra de décider en toute objectivité des modifications à apporter aux paramètres de pompage pour les puits verticaux. Il sera indispensable pour analyser les conditions de fonctionnement de la pompe sur les puits inclinés puisque pour ces derniers, il n'existe pas de programmes fiables pour la transposition des mesures de surface vers le fond. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure du déplacement d'une tige de pompage d'un puits pompé aux tiges dans un tube de production, dans lequel successivement: on crée sur la paroi interne du tube de production un premier pôle magnétique à l'aide d'un premier champ d'excitation très bref d'axe polaire orthogonal à l'axe du tube, - on détecte ledit premier pôle magnétique à l'aide d'un détecteur de champ dont l'axe polaire est orthogonal à l'axe du tube et, simultanément, on crée sur la paroi interne du tube un second pôle magnétique à l'aide du même champ d'excitations que précédemment, les axes polaires du champ d'excitation et du détecteur étant espacés d'une distance fixe et solidaires de la tige - on efface le premier pôle magnétique à l'aide d'un premier champ alternatif d'axe polaire orthogonal au tube et espacé de l'axe du champ de détection - et ainsi du suite. 2 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel, en outre: - on détecte le changement du sens de déplacement de la tige, à la suite de quoi, - on inverse les rôles des champs magnétiques d'excitation et de détection. 3 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel, en outre - au préalable, on efface toute trace de magnétisme sur la paroi interne du tube par un second champ alternatif dont l'axe polaire est orthogonal à l'axe dudit tube à une distance fixe en avant de l'axe polaire du premier pôle magnétique. - en même temps que l'on crée un premier pôle magnétique sur la paroi interne du tube à l'aide d'un premier champ d'excitation d'axe polaire orthogonal à l'axe du tube, on crée sur la même paroi un second pâle magnétique de signe apposé à celui du premier à l'aide d'un second champ d'excitation dont l'axe polaire est symétrique du premier par rapport à l'axe polaire du détecteur de champ. - on efface toute trace de magnétisme sur la paroi interne du tube avec le premier champ alternatif. 4 Procédé suivant la revendication 1 dans lequel on détermine la vitesse de déplacement de la tige en comparant l'espacement entre les axes polaires des champs d'excitation et de détection et la valeur du temps écoulé entre marquage et détection. - Dispositif de mesure du déplacement d'une tige de pompage d'un puits pompé aux tiges dans un tube de production comprenant, fixés par ladite tige de pompage, successivement: - un premier moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube, - un moyen de détection dudit pôle magnétique, moyen dont l'axe polaire est orthogonal au tube, à une distance donnée de l'axe du moyen précédent, et, - un premier moyen d'effacement dudit pôle magnétique, - et un moyen de détecter l'inversion du sens de déplacement de la tige entraînant l'inversion des rôles joués par le moyen de création d'un pôle magnétique et le moyen d'effacement dudit pôle magnétique. 6 - Dispositif selon la revendication 5, comprenant en outre, - un second moyen d'effacement des pôles magnétiques sur la paroi interne d'un puits, situé avant le premier moyen de création d'un pôle magnétique, et - un second moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube, situé entre le moyen de détection et le premier moyen d'effacement des pôles. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6 dans lequel: - le premier et le second moyen de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube consistent en un dispositif inducteur d'un champ magnétique, de temps ll d'excitation très bref et d'axe polaire orthogonal au tube, et - le premier et le second moyen d'effacement dudit pôle magnétique consistent en un dispositif inducteur d'un champ magnétique alternatif d'axe polaire orthogonal au tube. 8 - Dispositif selon la revendication 6 dans lequel les axes polaires du premier et du second moyen de création d'un pôle magnétique, sont symétriques par rapport à l'axe du moyen de détection de pôle magnétique, tout comme les axes du premier et du second moyen d'effacement des pôles magnétiques. 9 - Dispositif selon la revendication 6 dans lequel les deux moyens de création d'un pôle magnétique sur la paroi interne du tube de production et les moyens d'effacement de tels pôles sur ladite paroi sont constitués par des bobines dont les noyaux contituent les parties terminales de tiges métalliques de formes demi elliptiques.