Brevet FR2758852A1 — publié le 19980731

La présente invention se rapporte à un procédé de pompage d'un fluide et, plus particulièrement à un procédé de pompage ou de relevage d'eau et/ou d'hydrocarbures provenant d'un puits pétrolier. La présente invention se rapporte également à une installation de pompage d'un effluent provenant d'une source souterraine. Dans certains puits pétroliers, l'écoulement naturel des effluents du fond à la surface s'avère insuffisant pour permettre ou maintenir une exploitation commerciale. Ceci est dû à une trop faible pression naturelle au fond du puits en regard de la viscosité et du poids des effluents, 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 communément appelé 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. Cependant, l'utilisation d'une pompe en fond de puits, endroit peu accessible où les températures et pressions sont généralement très élevées et où le milieu environnant peut être très corrosif, peut provoquer des pannes ou des dysfonctionnements de l'équipement d'activation qui, compte tenu de sa situation dans le puits, nécessitent des interventions longues et coûteuses. De plus, pendant ces interventions la production du puits est arrêtée, ce qui entraîne des pertes financières additionnelles. Une installation d'injection de gaz en fond de puits est plus fiable que l'installation précédente, mais présente l'inconvénient de nécessiter une source de gaz sous pression, constituée par exemple d'un compresseur et d'un réseau de, tuyauteries , le tout sur site parfois très isolé ou très coûteux, par exemple sur plate-forme en mer. Un autre mode d'activation peut consister en le pompage des hydrocarbures effectué à partir de la surface. Le document EP-A-579497 décrit une méthode de pompage de liquide, provenant d'une extrémité d'un puits, vers une sortie à l'extrémité opposée du puits, dans laquelle on règle la pression de gaz dans une ou plusieurs chambres afin qu'elles s'emplissent de liquide. Ensuite, moyennant une consommation énergétique importante, une pression de gaz supérieure est appliquée à chaque chambre afin de déplacer le liquide et de l'envoyer vers la sortie. Chaque chambre est munie de vannes d'entrée et de sortie commandées à partir de détecteurs de niveau afin de contrôler le sens d'écoulement du liquide. Selon ce document, les chambres peuvent soit être superposées les unes sur les autres à l'intérieur du puits, soit être disposées côte à côte en un point avoisinant la sortie du puits. Le positionnement des chambres de manière superposée dans le puits présente des avantages en ce qu'il permet d'avoir une installation moins encombrante et un rendement énergétique optimisé. En revanche, ce type d'installation présente des inconvénients puisque la superposition des chambres, chacune étant munie de diverses vannes et de détecteurs de niveaux, nécessite une opération lourde et coûteuse dans le but de retirer du puits une ou plusieurs chambres lorsqu'il y a une panne ou une défaillance dans une des chambres inférieures. De plus, l'utilisation de plusieurs chambres, chacune équipée de vannes et de détecteurs de niveaux, rend difficiles les prévisions de maintenance de l'installation. Le document US-A-1,499,509 décrit un procédé de pompage d'un effluent, provenant d'un puits pétrolier faiblement éruptif. Selon ce procédé, l'effluent remplit un espace annulaire défini entre la paroi du puits et un tubage de production qui s'étend du fond du puits jusqu'à la surface. Une fois l'espace annulaire rempli d'effluent, moyennant une consommation énergétique importante, du gaz sous pression est envoyé de la surface dans l'extrémité supérieure de cet espace, ce qui provoque le déplacement de l'effluent et sa remontée jusqu'à la surface par l'intérieur du tubage. Ce procédé présente des inconvénients en ce que, comme le gas-lift et le système précédent, nécessitant souvent d'importantes installations de compression, traitement et transport de gaz, il est coûteux en énergie à cause de l'échauffement du gaz lors de sa compression. La détente ultérieure du gaz lors de la phase de remplissage de l'espace annulaire par l'effluent est associé à un appel de chaleur d'expansion du gaz qui provoque le refroidissement du gaz et du milieu environnant. Ceci risque de générer des problèmes de dépôts physico-chimiques de l'effluent refroidi tels que paraffines et/ou hydrates, et/ou d'affecter dans le mauvais sens la viscosité et le poids de l'effluent, déjà peu favorables à l'éruptivité naturelle du puits. La présente invention a donc pour objet un procédé de pompage d'un fluide, provenant d'une source à une extrémité d'un puits, vers une sortie, qui est simple, sûre et robuste, de mise en oeuvre légère et fiable dans le puits, et qui ne nécessite en surface qu'une installation peu encombrante. Pour ce faire l'invention propose un procédé de pompage d'un effluent fluide, provenant d'une source adjacente à un puits, vers une sortie, le puits comprenant une chambre s'étendant substantiellement sur toute la longueur du puits, et un tubage traversant la chambre et communiquant, vers une extrémité, avec celle-ci et, en un point sur sa longueur, avec la source, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - emplir, jusqu'à une hauteur prédéterminée, l'extrémité inférieure de la chambre et du tubage avec un premier liquide de densité supérieure à celle de l'effluent - emplir la chambre, entre la hauteur prédéterminée et la sortie, avec un deuxième fluide de densité inférieure à celle du premier liquide, - emplir le tubage d'effluent, entre la hauteur prédéterminée et un niveau prédéterminée ; et - injecter une quantité additionnelle du deuxième fluide dans la chambre afin de déplacer le premier liquide ainsi que l'effluent, afin de remonter l'effluent vers la sortie. La présente invention présente l'avantage de faire appel à une installation, dont l'organe de puissance est simple, classique, robuste, peu dangereux et situé à la surface, rendant ainsi sa maintenance très facile et peu fréquente. La présente invention a également pour objet une installation de pompage permettant la mise en oeuvre du procédé de pompage. Pour ce faire, l'invention propose une installation de pompage d'un effluent fluide provenant d'une source souterraine comprenant un puits s'étendant de la surface à travers la source et comportant une chambre s'étendant sur toute sa longueur, un tubage disposé dans la chambre et communiquant avec celle-ci à son extrémité inférieure, et, en un point sur sa longueur, avec la source, caractérisée en ce que la chambre et le tubage sont adaptés à être emplis, jusqu'à une hauteur prédéterminée avec un premier liquide, de densité supérieure à celle de l'effluent, l'installation comprenant, de plus, un ensemble de vannes destinée à mettre la chambre sélectivement en communication avec une source sous pression d'un deuxième fluide , de densité inférieure à celle du premier liquide, et un exutoire basse pression pour ce deuxième fluide , ce dernier subissant ou non au cours du cycle de pompage précédemment décrit des transformations de l'état liquide à l'état vapeur et vice versa. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture de la description suivante, donnée à titre explicatif mais non limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un puits selon un premier mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 2A à 2D sont chacune une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation, et représentent son cycle de fonctionnement - les figures 3A à 3D sont chacune une vue schématique en coupe d'un troisième mode de réalisation et représentent son cycle de fonctionnement. Sur la figure 1, un puits représenté généralement en 10, qui, dans l'exemple illustré, est un puits pétrolier, s'étend de la surface 12 du sol à travers une couche de roche pétrolifère 14. De préférence la profondeur verticale de l'extrémité inférieure 15 du puits soit au moins égale à 115% de la profondeur verticale de la couche de roche 14. Le puits 10 est muni d'un cuvelage 16, s'étendant le long du puits, et d'un tubage de production 18 s'étendant de la surface 12 jusqu'à l'extrémité inférieure 15 du puits. Le tubage 18 comporte généralement, en un point situé à environ 100 m de la surface 12, une vanne de sécurité 20. A son extrémité supérieure le tubage 18 comporte un ensemble de vannes de production 22, ou "arbre de Noël", destiné à contrôler le débit de production du puits. Cet ensemble de vannes communique avec un conduit de production 24 formant la sortie du puits. Le puits 10 et le tubage 18 s'étendent au-delà de la couche de roche pétrolifère 14, le tubage 18 s'ouvrant vers celle-ci par un conduit 26 muni d'un clapet anti-retour 28. L'extrémité supérieure du puits 10 est fermée par un joint 30 de suspension du tubage ou tubing hanger . L'espace annulaire 32 défini entre le cuvelage 16 et le tubage 18 peut être sélectivement mis en communication avec une source de fluide à haute pression 34 et un exutoire de à basse pression 36 par un ensemble de vannes de commande 38 placé à sa sortie en aval d'une vanne de sectionnement 40. Un clapet anti-retour 46, disposé dans le tubage 18 en un point immédiatement au-dessus du conduit 26, permet l'écoulement de fluide dans le tubage uniquement du fond vers la surface. Le gisement de la couche 14 est faiblement éruptif, c'est-à-dire que la pression exercée par le gisement permet de remonter naturellement l'effluent jusqu'à un niveau intermédiaire N dans le puits. Afin de remonter l'effluent du niveau N jusqu'à la surface, on met en oeuvre le procédé de pompage selon l'invention. Ce procédé consiste à disposer un premier liquide, de densité importante, à l'extrémité inférieure du puits afin qu'il remplisse l'espace annulaire, et l'extrémité inférieure du tubage 18, jusqu'à un niveau A. Puis, le volume libre de l'espace annulaire 32 est entièrement rempli d'un second liquide, ou fluide provenant de la source à haute pression 34 et de densité inférieure à celle du premier liquide. La pression exercée par le second fluide fait baisser le niveau du premier liquide, dans l'espace annulaire 32 du niveau A à un niveau inférieur B, ce qui a pour résultat que le niveau du premier liquide dans le tubage 18 remonte du niveau A à un niveau supérieur C. L'intérieur du tubage 18 entre le niveau C et le niveau N contient de l'effluent provenant de la couche de roche 14. Ensuite, afin de déplacer l'effluent dans le tubage 18 vers la surface, un volume additionnel du second fluide est envoyé dans l'espace annulaire, ce qui a pour résultat de faire baisser le niveau du premier liquide d'une distance d du niveau B jusqu'à un niveau inférieur E. Ce niveau inférieur se trouve légèrement au-dessus de l'extrémité ouverte du tubage 18. Le niveau du premier liquide remonte, d'une distance h, jusqu'à un niveau maximum G, juste en dessous du conduit 26. Puis, afin de compléter un cycle de pompage, la vanne de commande 38 est actionnée pour mettre l'espace annulaire 32 en communication avec l'exutoire basse pression 36. La pression statique exercée par la colonne du premier liquide dans le tubage 18 sur le deuxième fluide refoule ce dernier vers l'exutoire basse pression 36, les fluides dans le puits tendant à retrouver leurs niveaux de départ B et C. L'effluent qui a été remonté dans le tubage vers la surface n'a pas la possibilité de retomber du fait de l'action du clapet anti-retour 46. Lorsque le premier liquide, dans le tubage, retombe de son niveau maximum G vers son niveau C, il crée en dessous du clapet anti-retour 46 une dépression dans le tubage 18 qui permet un écoulement productif d'effluent de la roche 14 vers l'intérieur du tubage 18. Une fois que les liquides ont retrouvé leurs niveaux de départ B et C, et que le tubage en dessous du clapet anti-retour 46 est rempli d'effluent, le cycle de pompage peut recommencer, simplement en inversant la position de la vanne de commande 38 afin de remettre l'espace annulaire 32 en communication avec la source haute pression 34. A chaque cycle de pompage l'effluent est remonté d'une hauteur h dans le tubage 18. L'utilisation du premier liquide de densité importante lui permet d'agir comme un ressort de rappel pour le deuxième fluide de densité inférieure. En retrouvant son niveau de départ à la fin d'un cycle, le premier liquide, plus lourd, refoule le deuxième fluide, plus léger, vers l'exutoire basse pression et permet l'entrée d'une nouvelle quantité d'effluent dans le tubage 18. L'avantage du premier liquide lourd réside dans sa faculté à refouler de son propre poids toute la colonne du deuxième fluide qui sert à transmettre la poussée hydraulique depuis la surface, et ce même quand ce second fluide est à l'état liquide. De manière générale il est beaucoup plus simple, et moins coûteux de comprimer un liquide qu'un gaz pour en récupérer une force de pression hydraulique. Un liquide se comprime à l'aide d'une pompe alors qu'un gaz se comprime à l'aide d'un compresseur qui est d'un technologie plus sensible, coûteuse et dangereuse. Sur les figures 2A à 2D est représenté un deuxième mode de réalisation qui diffère de celui de la figure 1 en ce qu'il constitue une adaptation d'un tubage déjà en place dans un puits sans nécessiter la remontée de ce tubage, opération habituellement nommée work-over . Les figures 2A à 2D représentent un cycle de pompage d'un effluent provenant de la couche de roche pétrolifère 14. L'installation de pompage représentée sur les figures 2A à 2D comprend un tubage 18, vers l'extrémité inférieure duquel est monté un clapet anti-retour 46, de manière analogue à l'installation de la figure 1. Une chambre 50 est délimitée dans le puits 10, au niveau de la couche de roche pétrolifère 14, par deux joints ou packers, 52 et 54. Un tube 56, disposé coaxialement au tubage 18 à l'intérieur de ce dernier, est relié par un joint 57 à son extrémité inférieure, à l'extrémité 58 du tubage 18 qui s'étend à travers le joint 54 et s'ouvre dans la chambre 50. A son extrémité supérieure, en un point immédiatement en dessous du clapet anti-retour 46, le tube 56 est muni d'un clapet anti-retour 60 qui permet l'écoulement de l'effluent dans le sens de la flèche 62. L'extrémité inférieure du tubage 18 comporte un ensemble à manchon coulissant 64, formant des ouvertures latérales qui permettent la communication entre l'intérieur du tubage 18 et l'espace annulaire 32. De préférence, le tube 56 est du type plus communément appelé coiled tubing . De manière alternative, le tube peut être mis en place par une intervention appelée snubbing . La première phase du cycle de pompage représentée sur la figure 2A concerne l'aspiration de l'effluent provenant de la couche de roche 14, à l'intérieur du tubage 18. Lors de cette phase, le premier liquide de densité importante remplit l'espace 68 entre l'extérieur du tube 56 et le tubage 18, l'espace annulaire 32 étant rempli du deuxième liquide ou fluide de densité nettement inférieure à celle du premier liquide. Le premier liquide dans l'espace 68 descend de son niveau représenté sur la figure 2A vers le niveau de la figure 2B, refoulant le deuxième fluide, par l'espace annulaire 32, vers l'exutoire basse pression 36 (voir la figure 1)et permettant à l'effluent de remplir l'espace 68. Une fois que l'espace 68 est rempli au maximum d'effluent, la phase de refoulement représentée sur les figures 2C et 2D peut commencer. Le niveau du liquide peut être détecté par un capteur, par exemple à flotteur, monté dans l'espace 68. Ou, de manière alternative, on peut calculer ce niveau à partir de mesures de volume effectuées à la surface. L'espace annulaire 32 est mis en communication avec la source du deuxième fluide à haute pression 34 (voir figure 1). L'arrivée, dans l'espace annulaire, du deuxième fluide dans le sens des flèches 70 refoule le premier liquide vers l'espace 68. Comme le clapet anti-retour 60 est fermé, le clapet 46 étant ouvert l'effluent présent dans cet espace 68 est expédié vers la surface par l'intérieur du tubage 18. A la fin de la phase de refoulement de l'effluent vers la surface représentée sur la figure 2D, le procédé de pompage peut recommencer par le début de la phase d'aspiration de l'effluent représentée sur la figure 2A. Comme dans le mode de réalisation de la figure 1 le premier liquide, de densité importante agit comme un ressort de rappel pour le deuxième fluide pendant la phase d'aspiration. L'installation de pompage des figures 2A à 2D est destinée à être mise en place sur des puits existants, c'est à dire sur des puits déjà complétés avec un tubage de production. Les divers éléments de l'installation sont adaptés pour être mis en place par des interventions à partir de la surface. Sur les figures 3A à 3D est représentée une installation de pompage qui est destinée à être installée sur un puits non encore complété, ou destiné à être d'abord déséquipé de son ancien tubage. Les éléments qui sont communs aux modes de réalisation des figures 1 et 2 portent les mêmes chiffres de références. En un point intermédiaire dans le puits 10, le tubage 18 se sépare en deux tubes parallèles 82, 84, dont l'un 82, traverse le joint 54 et communique avec la chambre 50, et l'autre 84 communique avec l'espace annulaire 32 en un point de préférence immédiatement au dessus du joint 54. Le tube 82 est muni d'un clapet anti-retour 60 permettant l'écoulement de l'effluent dans le sens de la flèche 62. Le procédé de pompage de l'effluent qui est mis en oeuvre sur l'installation des figures 3A à 3D est sensiblement analogue à celui des figures 2A à 2D, les phases d'aspiration et de refoulement étant représentée de la même manière. Le premier liquide utilisé dans le procédé de pompage selon l'invention doit avoir une densité plusieurs fois supérieure à celle de l'eau. Parmi les liquides susceptibles d'être utilisés se trouvent des fluides ou des boues alourdis pour le forage ou la complétion des puits, des saumures ou des fluides plus élaborés par exemple au formate de caesium. On peut également utiliser des alliages métalliques fusibles, par exemples des alliages de Wood. Ces alliages se trouvent à l'état liquide aux températures habituelles rencontrées dans un puits pétrolier. Comme exemples particuliers de ces alliages, on peut citer un alliage composé de 44.7 W de Bismuth ; 22.6 W de Plomb ; 8.3 W d'Etain ; 5.3 W de Cadmium et 19.1 W d'Indium. Cet alliage a un point eutectique à 47"C, ou encore un alliage composé de 50 % de Bismuth ; 26.37 W de Plomb ; 13.3 k d'Etain et 10 W de Cadmium dont le point eutectique est à 700 C. Ce type de matériaux ne présente pas de toxicité contraignante. Au delà de leur point eutectique, ou de la température appelée liquidus , ces alliages sont liquides et leur masse volumique est de l'ordre de 9 fois celle de l'eau. Comme le procédé de pompage selon l'invention utilise des liquides en tant que moyen de pompage, la perte d'énergie de pompage dans des phénomènes thermodynamiques est considérablement réduite. De plus, l'utilisation du premier liquide de densité importante, qui a tendance à retrouver son niveau de départ en refoulant le deuxième fluide de pompage vers son exutoire, réduit davantage la consommation d'énergie du procédé. Lorsque le deuxième fluide est un liquide, sa mise en pression, avant d'être injecté dans le puits, d'effectué par une pompe à liquide. Ce type de pompe est simple, fiable et peu coûteuse. De plus, la consommation d'énergie pour cette mise en pression est faible. REVENnTCATTONS 1 - Procédé de pompage d'un effluent fluide, provenant d'une source (14) adjacente à un puits (10), vers une sortie (24), le puits comprenant une chambre (32, 70) s'étendant substantiellement sur toute la longueur du puits, et un tubage (18) traversant la chambre et communiquant, vers une extrémité, avec celle-ci et, en un point sur sa longueur, avec la source (14) caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - emplir, jusqu'à une hauteur prédéterminée, l'extrémité inférieure de la chambre et du tubage avec un premier liquide de densité supérieure à celle de l'effluent - emplir la chambre, entre la hauteur prédéterminée et la sortie, avec un deuxième fluide de densité inférieure à celle du premier liquide, - emplir le tubage d'effluent, entre la hauteur prédéterminée et un niveau prédéterminé ; et - injecter une quantité additionnelle du deuxième fluide dans la chambre afin de déplacer le premier liquide ainsi que l'effluent, afin de remonter l'effluent vers la sortie. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte l'étape additionnelle de mettre la chambre en communication avec un exutoire basse pression du deuxième fluide afin de permettre au deuxième fluide de se refouler de la chambre, le premier liquide descendant à l'intérieur du tubage vers sa hauteur prédéterminée. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on utilise un premier liquide à une densité plusieurs fois supérieure à celle de l'eau. 4 - Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le premier liquide est choisi parmi les boues ou fluides alourdis, des saumures ou des alliages métalliques fusibles. 5 - Installation de pompage d'un effluent liquide provenant d'une source souterraine (14) comprenant un puits (10) s'étendant de la surface (12) à travers la source et comportant une chambre (32 ; 70) s'étendant sur toute sa longueur, un tubage (18) disposé dans la chambre et communiquant avec celle-ci vers son extrémité inférieure, et, en un point sur sa longueur, avec la source (14), caractérisée en ce que la chambre (32) et le tubage (18) sont adaptés à être emplis, jusqu'à une hauteur prédéterminée avec un premier liquide, de densité supérieure à celle de l'effluent, l'installation comprenant, de plus, un ensemble de vannes (38) destinée à mettre la chambre (32) sélectivement en communication avec une source sous pression d'un deuxième fluide de densité inférieure à celle du premier liquide, et un exutoire basse pression pour ce deuxième fluide. 6 - Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un tube (56), dispose à l'intérieur du tubage (18), et s'ouvrant à son extrémité inférieure vers la source souterraine (14), le tube (56) étant muni à son extrémité supérieure, d'un clapet anti-retour (60). 7 - Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que le tubage (18) se sépare, en un point intermédiaire dans le puits, en deux tubes parallèles (82 ; 84), l'un (82) s'ouvrant avec la source souterraine (14), l'autre (84) s'ouvrant dans la chambre (32 ; 70).