Brevet FR2658972A1 — publié le 19910830

DISPOSITIF DE RECHAUFFAGE DE LA COLONNE DE PRODUCTION D'UN PUITS ET PROCEDE DE NISE EN PLACE DES ENROULEMENTS DE RECHAUFFAGE La présente invention concerne un dispositif de réchauffage de la colonne de production d'un puits et un procédé de réalisation du dispositif. I1 est connu, par exemple, par l'article "The coaxial pipe by electric heating system for pipeline" publié dans la revue "Second Int ASME Offshore Mech.ARTIC ENGINEER SYMPOSIYOM HOUSTON 83/01/30", pages 562 à 567, différents systèmes de réchauffage de pipeline, tel que le système de chauffage par traçage à vapeur, ou les systèmes de chauffage électrique. Dans ce dernier type, le système de chauffage par effet joule consiste à appliquer directement du courant aux pipelines. Un tel système se trouve, pour raisons de sécurité et de risque de corrosion, limité en tension maximale et les longueurs auxquelles il peut être appliqué sont très courtes. Un deuxième système, du type électrique consiste à avoir un conducteur électrique coaxial à un pipeline auxiliaire et plaqué à l'extérieur du pipeline à réchauffer pour générer, par effet de peau un courant à l'intérieur du pipeline auxiliaire afin de chauffer celui-ci et le pipeline principal. Un autre système est "système de traçage" consiste en un ruban chauffant auto-regulant triphasé, renforcé par une enveloppe extérieure en acier galvanisé, permettant de protéger le système. I1 est important de noter que le traçage dans le cas des applications aux colonnes de production d'un puits doit être situé au-dessus de la surface de l'anneau liquide qui entoure le tube de production et, de préférence, à entourer dans une atmosphère de gaz type azote.Par ailleurs, ce type de procédé nécessite la mise en oeuvre de boîtes de dérivation, voire de transformateurs, si la profondeur est importante. Ce procédé a un transfert thermique nettement moins bon car l'énergie calorifique se transmet grâce à un ciment entourant le tube. Une autre méthode consiste au chauffage d'un premier tube "TUBING" par un second tube coaxial extérieur au premier, "LE CASING", les deux tubes étant alimentés en surface par une source d'énergie électrique, les deux tubes étant reliés en court-circuit à leur autre extrémité. La mise en oeuvre de ce procédé présente une difficulté qui est de réaliser la liaison électrique à l'extrémité du forage entre la colonne de production et la paroi du puits. Par ailleurs, il est nécessaire que le tube intérieur soit isolé électriquement surtout dans le cas où l'espace annulaire contient un fluide conducteur ou corrosif. De même le brevet américain US 3 777 117 enseigne l'utilisation d'un conducteur alimenté par un courant alternatif circulant à l'intérieur d'un tube dont une extrémité est reliée à l'extrémité de ce tube pour assurer le chemin de retour pour le courant alternatif. Ce type de construction nécessite de prendre des mesures d'isolation entre le trajet aller et le trajet retour. De plus, ceci nécessite une technique difficile à mettre en oeuvre dans une colonne de production pour des raisons d'étanchéité au niveau des connexions des différents tubes et pour des raisons de coût de fabrication des tubes. Enfin, il est connu par le brevet britannique 2 100 557 et le brevet russe 739 755 d'assurer un chauffage ponctuel d'un pipeline par induction au moyen d'une ou plusieurs spires afin de réaliser la soudure de deux extrémités de tubes constituant un pipeline. Ce type d'utilisation ne pose pas le problème de la mise en place du dispositif de chauffage autour d'une colonne de production dans un puits. Un premier but de l'invention est donc de proposer un dispositif de réchauffage de la colonne de production d'un puits, ce dispositif présentant l'avantage d'avoir un meilleur rendement que le chauffage par effet joule et de ne pas engendrer de différences de potentiel le long de la colonne de production ou de problèmes de transfert thermique. Ce but est atteint par le fait que le dispositif de réchauffage de la colonne de production d'un puits comporte au moins un enroulement d'un câble monoconducteur autour de la colonne, cet enroulement étant alimenté en courant alternatif monophasé formé dans l'espace annulaire entre la colonne de production et la paroi du puits pour générer dans les parois en matériau magnétique de la colonne de production du puits des courants induits. Selon une autre caractéristique, l'enroulement est constitué sur une longueur déterminée d'une succession de bobines disposées à une extrémité de chacun des tubes constituant la colonne. Un autre but est que le dispositif puisse se mettre aisément en place dans le puits. Ce but est atteint par le fait que chaque bobine est encadrée par des centreurs rigides montés sur la colonne et pourvus à leur périphérie interne d'une encoche pour le passage du câble de l'enroulement. Un autre but est de permettre la sortie des câbles sans poser de problèmes d'étanchéité au niveau de la tête du puits de production. Ce but est atteint par le fait que la première bobine est fixée à une distance déterminée de la tête de puits pour permettre un rattrapage de l'excentration nécessaire à la fixation de la colonne à l'élément de suspension de la tête de puits qui assure le passage des deux extrémités de câble par des orifices coaxiaux à la colonne. Selon une autre caractéristique les premiers centreurs sont de diamètre inférieur au diamètre intérieur du puits. Un autre but est d'éliminer au maximum les risques de corrosion dus à la nature corrosive du fluide qui remplit l'annulaire. Ce but est atteint par le fait que le retour du courant entre la bobine la plus profonde et la tête de puits est assuré par un second brin de câble qui passe à l'extérieur de chaque enroulement et à l'intérieur des centreurs situés de part et d'autre de chaque enroulement. Selon une autre caractéristique, dans une colonne de production dont on maintient le débit des effluents à 300 m3 par jour à une température minimale de 38 , le dispositif est constitué de 23 bobines de longueur 1,35m comportant 100 spires jointives alimentées sous une tension ajustable entre 24,5 et 30,6 volts et un courant compris entre 78 et 100 ampères procurant une dissipation totale ajustable entre 36 Kw et 60 Kw. Un dernier but est de proposer un procédé de réalisation du dispositif par mise en place des enroulements de réchauffage de la colonne consistant à a) immobiliser l'extrémité inférieure des tubes de la colonne au niveau de la tête du puits à l'aide de cales dont les peignes laissent un passage suffisant pour au plus deux brins du câble; b) à placer sur le tube un centreur inférieur dans lequel passent les deux brins inférieurs; c) à faire tourner un brin de câble pour constituer 1 'enroulement; d) à placer un centreur supérieur de fin de bobine dans lequel passe au moins un brin; e) à libérer l'extrémité du tube pour descendre ce dernier dans le puits jusqu'à ce que son extrémité supérieure dépasse du puits; f) à immobiliser au niveau de la table de rotation à l'aide de cales, cette extrémité; ; g) à visser un autre tube sur l'extrémité supérieure du tube précédent; h) à réitérer les opérations b à g autant de fois que nécessaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en perspective et coupe partielle au niveau de la table de rotation équipée d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé de mise en place des enroulements de réchauffage de la colonne; - la figure 2 représente une vue schématique du dispositif de réchauffage d'une colonne de puits; - la figure 3 représente une vue en élévation d'un demi-centreur; - la figure 4 représente une vue de dessus du demicentreur; - la figure 5 représente une vue de dessus de l'élément de fixation sur la tête de puits de la colonne de production; - la figure 6 représente l'extrémité supérieure de la colonne de production pour permettre le rattrapage d'excentration. La figure 1 représente une tête de puits (1) dont la paroi externe (10) ou encore appelée "casing" délimite avec les tubes (25,24) de la colonne de production un espace annulaire (100). Chaque tube (25,24) encore appelé "tubing" comporte à son extrémité supérieure un manchon (250,240) respectif pourvu d'un filetage interne adapté au filetage externe formé à l'extrémité inférieure du tube qui vient se visser dans ce manchon. De cette façon on réalise, en associant plusieurs tubes à la suite les uns des autres, une colonne de production. Le dispositif de réchauffage de l'invention qui permet d'éviter les occlusions par dépôt de paraffine lors de l'exploitation de gisement d'hydrocarbure contenant de l'huile visqueuse et paraffinique et par là-même supprimant les opérations fréquentes et coûteuses de grattage ou d'injection de fluxant est représenté aux figures 2 et 6.Ce dispositif comporte un certain nombre d d'étages de tubes dont les étages 4 à N sont constitués de tubes (24,25...) mis bout à bout et comportant à une de leurs extrémités des enroulements (84,85,86 etc). Chacun des enroulements est constitué d'une bobine à spires jointives délimitée à sa partie inférieure et supérieure respectivement par un centreur inférieur et supérieur (34i,35i,36i,respectivement 34s,35s,36s). Chacun des enroulements est constitué, comme on peut le voir à la figure 1, par une bobine à spires jointives obtenue par enroulement d'un brin (40) d'un câble monoconducteur dont l'autre extrémité constituant le brin (41) remonte à la surface le long d'une génératrice externe à la bobine ainsi constituée. Toutes les bobines de chacun des étages des tubes sont reliées en série et les enroulements sont effectués dans le même sens.La bobine inférieure comporte une boucle qui passe dans le centreur inférieur (Ni). Ce dernier centreur (Ni) peut de façon avantageuse comporter un ergot au milieu de son encoche pour éviter que la boucle ne puisse remonter vers le haut et ainsi défaire l'enroulement de la dernière bobine (N). De façon connue, la colonne de production comporte encore un certain nombre (P) de tubes conduisant jusqu'au gisement. Le nombre de bobines et de tubes pourvus d'une bobine est déterminé en fonction de la position à partir de laquelle on souhaite effectuer le réchauffement pour maintenir les effluents à une température moyenne de 38 , température qui est au-delà de la température de cristallisation de la paraffine située à 33 dans le cas d'application prévu. Pour d'autres champs ces valeurs de température peuvent être totalement différentes. Dans un puits où il est nécessaire de faire varier la puissance totale de 36 Kw à 60 Kw il a été choisi d'utiliser 23 bobines de 100 spires et de longueur 1,35 m. Dans le cas où chaque bobine est alimentée avec une tension Ubob = 30,6 V et une intensité de 100 A, la puissance de la bobine est 2600 Watts et la puissance totale est 60 Kw. Dans le cas où chaque bobine est alimentée avec une tension Ubob = 24,5 V et une intensité de 78 A, la puissance de la bobine est 1360 Watt et la puissance totale des 23 bobines 36 Kw. En alimentant cette succession de bobinages par une source de courant alternatif à une fréquence comprise entre 50 et 60 Hz avec une tension de l'ordre de 600 volts et une intensité de l'ordre de 80 ampères on produit dans chacune des bobines un champ magnétique qui induit dans la colonne constituée par la succession de tubes en matériau magnétique, tel que de l'acier, des courants de Foucault assurant un échauffement du tube. De façon avantageuse pour la mise en oeuvre, on a constaté que le meilleur résultat était obtenu par des bobines d'une longueur maximale comprise entre 1,30 m et 1,50 m formées de spires jointives, d'un câble monoconducteur isolé et disposées à une extrémité de chaque tube constituant la colonne. Le nombre d'enroulements et le point le plus profond de démarrage des enroulements dans la colonne étant fonction de la température du fluide circulant dans celle-ci.Le point à partir duquel la température du fluide descend en dessous du point de figeage de la paraffine marquera le début des bobinages. Un bobinage, par exemple (84), peut être obtenu en faisant tourner le plateau tournant (5) monté sur roulement à billes (50) et supportant un touret (514) articulé autour d'un axe (513) sur un étrier (512) lui-même articulé autour d'un axe (510) sur un châssis monté fixe par rapport au plateau tournant (5). Lorsqu'un bobinage est terminé, un deuxième centreur dit centreur supérieur (34s) est mis en place. Dans ce centreur (34s) les deux brins (40,41) passent au travers de l'encoche (303, fig4) prévue à cet effet. Les deux brins (40,41) circulent selon une génératrice le long du tube jusqu'à la jonction par un manchon (240) avec le tube supérieur pour venir passer dans l'encoche d'un centreur inférieur de l'étage de bobinage suivant.Lorsque l'on arrive à la fin de la constitution de la colonne, les trois derniers étages de tubes (21,22,23) ne comporteront pas de bobinage et comporteront exclusivement des centreurs respectifs (32s, 32i ; 33s,33i) d'un diamètre bien inférieur au diamètre interne du puits de façon que ces centreurs appuient tangentiellement contre la paroi (10) selon une génératrice de la colonne sans que le câble (40,41) vienne frotter contre la paroi interne du puits. Les centreurs (34s,34i;35s,35i etc) servant à la constitution des bobinages seront d'un diamètre correspondant au diamètre interne du puits. Une cale (90,91) permet de maintenir l'extrémité inférieure du tube supérieur au cours de l'opération de bobinage.Cette pince est constituée par deux demi troncs de cône (90,91) cylindriquement évidés qui, en prenant appui sur les bords de la tête de puits, viennent serrer le tube supérieur (24) qui est en cours d'installation. Cette pince ménage, le long de la génératrice du tube, un espace suffisant pour permettre le passage des deux brins de câble (40,41). Dans les trois étages supérieurs de la colonne d'exploitation on a placé des centreurs de diamètre inférieur au diamètre du puits pour permettre le rattrappage d'excentration de la colonne due à l'élément supérieur (7, fig 5) fixé à la tête de puits lorsque celle-ci est complètement installée avec ses éléments de chauffage. En effet cet élément (7) comporte trois orifices cylindriques d'axe parallèle et décalés par rapport à l'axe de symétrie (73) du puits. L'orifice (70) permet le passage du tube supérieur tandis que les orifices (71,72) permettent le passage des brins de câble respectifs (40,41) pour assurer leur connexion à la source d'alimentation. Comme on peut le voir aux figures 3 et 4, chaque centreur est constitué de deux demi-anneaux (3) formant une surface cylindrique intérieure (301) comportant plusieurs dents circulaires (302) permettant par serrage de celles-ci sur le tube une bonne fixation de l'anneau. Un premier demi-anneau comporte un perçage (300) parallèle à l'axe de symétrie de la surface cylindrique (301), ce perçage débouchant dans une encoche (305) destinée à recevoir une bride d'articulation solidaire de l'autre demi-anneau. Cette bride d'articulation qui vient se loger dans l'encoche (305) s'articule autour de l'axe maintenu dans le perçage (300). Des trous taraudés (304), perpendiculaires à l'axe de symétrie du cylindre (301) permettent par l'utilisation de vis d'assurer le serrage de chacun des demi-centreurs sur le tube. Une encoche (303) parallèle à l'axe de symetrie de la surface cylindrique (301) et débouchant dans celle-ci permet le passage des brins de câble constituant le bobinage. Dans une variante éventuelle de l'invention, on peut supprimer le brin de retour (41) des bobinages et effectuer celui-ci par l'ensemble des tubes après avoir soudé l'extrémité du bobinage le plus profond par une brasure sur le tube. La colonne de tubes peut comporter, sur la périphérie externe orientée vers l'espace annulaire compris entre le puits et la colonne, une couche d'isolant thermique de faible épaisseur. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font egalement partie de l'esprit de l'invention. 1 - Procédé de réchauffage de la colonne de production d'un puits, colonne qui est formée d'une série de tubes (24,25,26), par mise en place d'enroulements de réchauffage de la colonne caractérisé en ce qu'il consiste a) à immobiliser au niveau de la tête du puits à l'aide de cales (90,91) dont les peignes laissent un passage suffisant pour au plus deux brins de câble (40,41) l'extrémité inférieure d'un tube (24) de la colonne, b) à placer sur le tube un centreur inférieur (34i) dans lequel passe au moins un brin inférieur, c) à faire tourner un brin (40) de câble pour constituer l'enroulement, d) à placer un centreur supérieur (34s) de fin de bobine dans lequel passe au moins un brin (40), e) à libérer l'extrémité du tube pour le descendre dans le puits jusqu'à ce que son extrémité (240) dépasse du puits, f) à immobiliser cette dernière à l'aide de cales (90,91), g) à fixer un autre tube sur l'extrémité du tube précédent, h) à réitérer les opérations b à g autant de fois que nécessaire. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité du brin constituant l'enroulement le plus profond est soudé sur le tube. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un deuxième brin remonte le long du tube et des enroulements en passant dans l'encoche des centreurs à l'extérieur des enroulements.