Brevet FR2759113A1 — publié le 19980807

La présente invention se rapporte à une installation de pompage d'un effluent biphasique liquide/gaz et, plus particulièrement à une telle installation destinée au pompage d'hydrocarbures provenant d'un puits pétrolier. Dans certains puits pétroliers, l'écoulement naturel des hydrocarbures du fond à la surface s'avère insuffisant pour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceci est dû soit à la viscosité et du poids des effluents, soit à une trop faible pression naturelle au fond du puits, en regard des facteurs qui s'opposent à leur élévation vers la surface. Afin de permettre la mise en production du puits à une échelle commerciale il convient d'utiliser un système d'élévation artificielle de l'effluent, ou système d'activation du puits. Par exemple, on peut monter une pompe à l'extrémité inférieure d'un tube de production situé dans le puits, ou on peut prévoir une installation d'injection de gaz au fond du puits. Ce dernier type d'installation, plus communément appelée "gas lift", sert à alléger la colonne d'hydrocarbures située dans le puits afin de faciliter sa remontée vers la surface. Une installation d'injection de gaz en fond de puits est généralement fiable, mais présente l'inconvénient de nécessiter, sur un chantier isolé, une source de gaz sous pression, par exemple un compresseur et ses tuyauteries associées. L'utilisation d'une pompe, disposée à l'extrémité inférieure d'un tubage par lequel remonte l'effluent biphasique liquide/gaz à la surface, présente des inconvénients lorsque cet effluent renferme une proportion importante de gaz. Les bulles contenues dans l'effluent sont compressibles, une fraction de l'énergie de la pompe servant à comprimer le gaz et non pas à envoyer le fluide vers la surface. Ce phénomène peut même conduire à ce que le débit de fluide pompé devienne nul (situation communément appelée cavitation ou gas-lock ). Les pompes centrifuges sont particulièrement sujettes au gas-lock, en particulier dans les puits du fait de leur implantation au pied d'une colonne de fluide qui, du fait de son poids propre, oppose à leur refoulement, même à débit nul, une contre-pression hydrostatique. De plus, à l'occasion d'arrêts des écoulements, gaz et liquides finissent de se séparer par gravité au fond du puits, ce qui, dans certains cas engendre de graves dysfonctionnements de la pompe lors de son redémarrage si le gaz accumulé vient à pénétrer dans la pompe, ou encore si, dû à ce régime transitoire, une importante bulle de gaz a pu se former à l'intérieur de la pompe. Il convient, donc, de séparer l'essentiel du gaz de la phase liquide de l'effluent avant que ce liquide ne soit aspiré par la pompe. Ainsi toute l'énergie de la pompe peut être consacrée à l'envoi du liquide vers la surface et les risques de cavitation sont réduits. Mais cette séparation de gaz en amont de la pompe nécessite un canal d'évacuation du gaz différent de celui emprunté par le liquide traversant la pompe. Une manière courante d'assurer cette fonction est de laisser le gaz se ventiler - c'est à dire cheminer - par l'espace annulaire qui existe entre la paroi interne du cuvelage du puits et la paroi externe du tubage qui sert à l'écoulement du liquide pompé. Cette méthode présente cependant plusieurs inconvénients majeurs qui ont pour conséquence de rendre l'exploitation du puits plus coûteuse voire dangereuse notamment la perte d'énergie naturelle d'élévation l'agression chimique et/ou mécanique des matériels en contact avec le gaz ; et des échanges thermiques importants et incontrôlables entre les effluents et le pourtour du puits pouvant engendrer des problèmes d'écoulement coûteux. Pour pallier partiellement ces inconvénients, le document FR-A-2.723.143 décrit une installation pour puits pétrolier comportant une pompe disposée à l'extrémité inférieure d'un premier tubage, un deuxième tubage étant destiné à recevoir, le cas échéant, du gaz provenant de l'effluent et séparé en amont de la pompe, et de le conduire jusqu'à la surface indépendamment de la phase liquide Selon ce document afin de favoriser la séparation du gaz de l'effluent en fond de puits, la pompe est munie d'une chemise, qui s'étend jusqu'à un niveau en dessous de la couche de roche pétrolifère. Ainsi, l'effluent pénétrant dans le puits est contraint à descendre avant d'être aspiré par la pompe, ce qui a pour effet de garantir une excellente séparation du gaz destiné à emprunter le tubage indépendant. L'installation décrite dans le document FR-A2.723.143, bien qu'elle permette à la pompe de recevoir un effluent ayant une faible teneur en gaz, présente cependant des inconvénients en ce qu'elle nécessite un deuxième tubage sur toute la longueur de puits, ce qui engendre d'importantes contraintes dimensionnelles et économiques de l'ouvrage. De plus, la colonne d'effluent liquide remontée à la surface par la pompe est lourde puisqu'elle est substantiellement exempte de gaz, ce qui nécessite une pompe de puissance plus importante. La présente invention a donc, pour objet, une installation de pompage d'un effluent biphasique liquide/gaz qui est de construction simple , robuste et fiable, et qui n'est pas sujette aux inconvénients cités ci-avant. Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose une installation de pompage destinée à être montée dans un puits s'étendant de la surface jusqu'à une couche de roche pétrolifère, comprenant un tubage à l'extrémité inférieure duquel est montée une pompe, un joint, monté dans le puits autour du tubage et délimitant une chambre à l'extrémité inférieure du puits, dans laquelle est disposée la pompe, caractérisée en ce que l'installation comprend, de plus, un hydro-éjecteur dans le tubage comprenant une zone de dépression s'ouvrant dans l'extrémité supérieure de la chambre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux dessins et schémas annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une installation selon un premier mode de réalisation de l'invention, et - les figures 2a et 2c sont des vues schématiques de trois modes de fonctionnement de l'invention Comme représentée sur la figure 1, un puits pétrolier 10 s'étend entre la surface (non-représentée) et une couche de roche pétrolifère 12. Le puits est muni de perforations 14, s'ouvrant dans la roche pétrolifère, qui permettent l'écoulement de l'effluent hydrocarbures vers l'intérieur du puits 10. Le puits 10 comprend un cuvelage 16 qui le rend étanche par rapport aux couches de roche traversées par le puits. A l'intérieur du puits un tubage 18 s'étend entre la surface et un point se trouvant à quelques mètres au-dessus de la couche de roche 12. Le tubage 18 comporte à son extrémité inférieure une pompe 20 munie d'entrées 22 pour l'effluent à envoyer à la surface. Dans l'exemple représenté , la pompe 20 est rotative centrifuge et son moteur est alimenté à partir de la surface par un câble électrique (non représenté). Avant d'être aspiré par la pompe 20, l'effluent provenant de la couche de roche 12, qui remplit le puits jusqu'à un niveau 24, se déplace dans le sens des flèches 26. Pendant ce déplacement, le gaz contenu dans l'effluent se libère et remonte dans le puits jusqu'au niveau d'un joint 28, plus communément appelé "packer", formant ainsi une poche de gaz 30 entre le niveau 24 de l'effluent liquide et le joint 28, dans une chambre 31 définie dans le puits 10 en dessous du packer 28. La pompe 20 peut avantageusement comprendre un séparateur spécial à chicane ou dynamique de type centrifuge ou vortex afin de mieux garantir la séparation en amont de la pompe( non représentée. Sans un tel séparateur, la séparation se fait habituellement par gravité dans la chambre 31 où se trouvent, à une vitesse relativement faible compte tenu de la section de leur passage, les effluents bruts sortant des perforations. Le packer 28 définit une chambre annulaire 33 délimitée par la paroi interne du cuvelage 16 et la paroi externe du tubage 18 entre le joint 28 et la surface. Le packer 28 interdit aux effluents et notamment au gaz de pénétrer la chambre 33. Ils ne peuvent traverser la partie supérieure du puits qu'en empruntant le tubage 18. La chambre 33 et tous les accessoires qu'elle contient tel que le cable d'alimentation de la pompe 20 sont donc préservés des agressions mécaniques et chimiques et reste disponible pour d'autres fonctions telle que par exemple l'accueil d'une substance calorifuge afin d'assurer l'isolation thermique du tubage 18. Au niveau de la poche de gaz 30, le tubage 18 comporte un hydro-éjecteur liquide-gaz 32, ou venturi, destiné à créer dans son intérieur une zone de dépression 34 par effet venturi. L'hydro-éjecteur liquide-gaz 32 comporte des orifices 36 mettant en communication la zone de dépression 34 et la poche de gaz 30. Lors de la mise en marche de l'installation de pompage décrite ci-avant, la pompe 20 est mise en mouvement, aspirant de l'effluent liquide par les entrées 22 et le refoulant, dans le sens de la flèche 38, vers la surface. Le passage de l'effluent à travers l'hydro-éjecteur liquide-gaz 32 crée une dépression dans son intérieur du fait de sa géométrie en forme de convergeant, dépression qui provoque l'aspiration par les orifices 36 du gaz de la poche de gaz 30 dans le sens des flèches 40. Dans l'intérieur de l'hydroéjecteur, le gaz est alors entraîné par l'effluent liquide provenant de la pompe 20 auquel il se mélange et se recombine, allégeant ainsi la colonne d'effluent contenue dans le tubage 18, facilitant ainsi sa remontée vers la surface. Comme la poche de gaz 30 est toujours en communication avec le tubage 18 par les orifices 36 ; 44, la formation d'une poche de gaz s'étendant jusqu'à la pompe 20 est évitée, même lors d'un arrêt prolongé de l'installation. Ceci a pour résultat d'éviter que la pompe ne redémarre lorsqu'elle est entourée de gaz. La figure 2a représente schématiquement la configuration normale des écoulements, correspondant à celle décrite ci-avant en référence à la figure 1. Les modes de fonctionnement de l'invention représentés sur les figures 2B et 2C comportent des caractéristiques complémentaires permettant à l'installation de mieux réagir dans des situations dégradées transitoires ou passagères, et de la rendre plus efficace et performante. La figure 2A reprend, de manière schématique les caractéristiques de l'installation de la figure 1. Le liquide refoulé par la pompe 20 dans le sens de la flèche 38, aspire du gaz dans l'hydroéjecteur 32 dans le sens de la flèche 40. Le mélange du liquide recombiné avec le gaz est envoyé vers la surface par le tubage 18 dans le sens de la flèche 50. La figure 2B représente schématiquement la situation où, dans une installation selon l'invention, la pompe 20 aspire de l'effluent ayant une forte proportion de gaz ou contient d'importantes bulles de gaz dans ses impulseurs. Les pompes centrifuges tolèrent mal les bulles de gaz n'étant pas adaptées à refouler de tels effluents. I1 est donc judicieux de faciliter l'évacuation de ces bulles vers la sortie de la pompe avant de continuer à envoyer l'effluent vers la surface. En effet, la présence d'importantes bulles de gaz dans l'intérieur de la pompe 20 peut survenir en dépit de la séparation du gaz en amont avant l'entrée des fluides dans la pompe 20, due par exemple à un dégazage complémentaire à l'intérieur même de la pompe 20, ou bien lors d'une phase transitoire de fonctionnement telle qu'un redémarrage de l'installation. Pour éviter qu'une telle situation se prolonge et devienne stationnaire au détriment du matériel qui surchaufferait et de la production du puits qui serait nulle, l'invention propose de soulager le refoulement de la pompe 20 avec, d'une part, un clapet anti-retour 52 dans le tubage 18 entre la pompe 20 et l'hydro-éjecteur 32 pour interdire le retour des effluents vers la pompe 20 et en supporter le poids de colonne hydrostatique, et, d'autre part, une ouverture latérale 54 située sous ce clapet et permettant l'évacuation latérale des effluents constitués essentiellement de gaz vers la chambre annulaire 31. Ce clapet 52 et l'ouverture latérale 54 sont préférablement des systèmes pouvant être mis en place et retirés du puits au câble par une opération communément appelée wire-line afin de rendre leur maintenance peu onéreuse. On peut par exemple utiliser des équipements logés dans des poches latérales du type de celles couramment utilisées pour les vannes d'injection de gaz pour l'allégement de la colonne d'effluent et communément appelés side-pocket . L'ouverture latérale 54 doit se refermer dès qu'un certain débit d'effluent liquide et une pression plus élevée, seront de nouveau atteint au refoulement de la pompe 20. La manoeuvre de cette ouverture latérale 54 pourra être soit pilotée depuis la surface à l'aide d'une ligne de commande électrique ou hydraulique en fonction de paramètres disponibles en surface, ou bien être automatique pilotée localement avec par exemple la pression de refoulement de la pompe 20, on la différence de pression dûe aux frictions de l'effluent entre l'entrée et la sortie de l'ouverture latérale 54. Ce principe est utilisé dans des vannes de sécurité appelée storm-choke Comme représenté sur la figure 2B, lorsque la pompe n'envoie plus d'effluent liquide vers la surface, la colonne de liquide présente dans le tubage 18, en aval de l'hydroéjecteur 32 s'écoule, sous l'effet de son propre poids, et jusqu'à l'équilibre, à travers les orifices 36 aménagés dans l'hydroéjecteur vers la chambre 31. Une fois que le tubage s'est vidé jusqu'à l'équilibre, le gaz présent dans la chambre 31 peut remonter vers la surface en pénétrant dans le tubage 18 par les orifices 36. Ainsi, même si le niveau 24 de l'effluent liquide est descendu en dessous du niveau de la pompe 20, cette purge du gaz dans la chambre 31 permet au niveau du liquide 24 de remonter au delà de celui de la pompe 20. Une fois que la pompe se trouve, de nouveau, immergée dans de l'effluent liquide ayant une faible proportion de gaz, l'envoi de l'effluent vers la surface peut recommencer. La figure 2C représente schématiquement une installation destinée à pallier les problèmes qui peuvent survenir lorsque le niveau 24 du liquide dépasse celui de l'hydroéjecteur 32. Une telle situation se produit si l'hydro-éjecteur a une capacité d'aspiration de gaz supérieure au débit de gaz libéré par la séparation située en amont de l'entrée de la pompe 20. C'est même la situation la plus probable dans la configuration normale de l'installation selon l'invention. Or même si l'hydro-éjecteur est capable de fonctionner en liquide-liquide comme c'est le cas général en jetpumping , il est plutôt préférable d'éviter l'entraînement effectif de liquide en provenance de la chambre 31 par les effluents liquides s'écoulant dans le sens de la flèche 38. Car un tel entraînement réduirait la performance et/ou l'efficacité du système. Pour éviter cet entraînement de liquides, et rendre l'entraînement sélectif vis-à-vis du gaz et du liquide de la chambre 31 plusieurs solutions sont proposées ci-après : la première s'appuie sur le fait que l'hydro-éjecteur 32 est plus ou moins capable d'effectuer cette sélection naturellement par blocage hydraulique . C'est le phénomène qui joue lorsque qu'en jet-pumping liquide-liquide, le jet fait du gas-lock , c'est à dire n'arrive plus à entraîner de liquide. Cette condition est obtenue pour un débit de liquide entraînant suffisamment élevé. La deuxième consiste à utiliser un flotteur destiné à obturer l'entrée de gaz latérale de l'hydro-éjecteur 32 lorsque du liquide de la chambre 31 le soulève. Ce flotteur serait là encore un système qui pourrait se repêcher au câble et qui pourrait par exemple s'implanter dans un side-pocket , par lequel passerait tout le gaz de la poche 30 avant de pénétrer dans l'hydro-éjecteur 32. La troisième, également repêcher au câble, serait l'équivalent du flotteur mais avec une technologie différente, par exemple, battant ou autre storm choke fermant au passage de liquides.On peut également prévoir un orifice de petit diamètre ou duse résistant peu à l'écoulement des gaz et beaucoup à celui de liquides, provoquant même le dégazage de ces derniers. L'hydro-éjecteur liquide-gaz 32, et les accessoires correspondants aux fonctions représentées sur les figures 2B et 2C ainsi que l'élément mobile de la pompe sont avantageusement aménagés afin de permettre leur remontée à la surface par câble lorsque des interventions de maintenance s'imposent. L'hydro-éjecteur liquide-gaz peut-être monté dans le tubage en un point au dessus du joint , la zone de dépression communicant avec la chambre par un conduit qui traverse le joint. REVENDICATIONS 1/ Installation de pompage destinée à être montée dans un puits (10) s'étendant de la surface jusqu'à une couche de roche pétrolifère, comprenant un tubage (18) à l'extrémité inférieure duquel est montée une pompe (20), un joint (28 ; 42), monté dans le puits autour du tubage (18) et délimitant une chambre (31) à l'extrémité inférieure du puits, dans laquelle est disposée la pompe caractérisée en ce que l'installation comprend, de plus, un hydro-éjecteur (32), dans le tubage (18), comprenant une zone de dépression (34) s'ouvrant dans l'extrémité supérieure de la chambre (31) 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'hydro-éjecteur liquide-gaz (32) est monté dans le tubage (18) immédiatement en dessous du joint (28), la zone de dépression (34) communicant avec la chambre (31) par des orifices (36) ménagés dans l'hydro-éjecteur liquide-gaz. 3/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'hydro-éjecteur liquide-gaz (32) est monté dans le tubage (18) en un point au dessus du joint (42), la zone de dépression (34) communicant avec la chambre (31) par un conduit (46) qui traverse le joint (42). 4/ Installation selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que la pompe comprend, de plus, un séparateur centrifuge qui communique avec la zone de dépression (34) de l'hydro-éjecteur liquide-gaz (32). 5/ Installation selon l'une des revendacations 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle comprend de plus un clapet antiretour (52) monté dans le tubage (18) entre le pompe (20) et l'hydro-éjecteur (32), et une ouverture latérale (54) dans le tubage (18) entre la pompe (20) et ce clapet anti-retour (52)