Brevet FR2776769A1 — publié le 19991001

PROCEDE ET INSTALLATION DE MISE EN OEUVRE D'UN DEBITMETRE MULTIPHASIQUE, EN AVAL D'UN PUITS DE PETROLE DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un procédé conçu pour assurer la mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique placé dans une tuyauterie, en aval d'un puits de pétrole. L'invention concerne également une installation mettant en oeuvre ce procédé. Etat de la technique L'exploitation d'un puits de pétrole impose d'effectuer une surveillance d'un grand nombre de paramètres concernant le fluide multiphasique qui s'écoule du puits. En effet, ces paramètres évoluent au cours du temps et les conditions d'exploitation doivent être adaptées pour tenir compte de cette évolution. Les débits des différentes phases contenues dans le fluide (par exemple, une phase gazeuse constituée par du pétrole gazeux et deux phases liquides constituées par de l'eau et du pétrole liquide) font partie des paramètres à surveiller. Cette surveillance peut être faite en continu ou de façon périodique, par exemple tous les deux ou trois mois. Une première technique connue pour mesurer les débits des différentes phases du fluide s'écoulant d'un puits de pétrole consiste à mesurer ces débits séparément, après avoir séparé les différentes phases du fluide. Dans ce cas, le fluide traverse successivement plusieurs séparateurs, dans lesquels on effectue, par gravité, la séparation de la phase gazeuse par rapport aux phases liquides, puis la séparation des phases liquides entre elles. Les débits de chacune des phases peuvent ainsi être mesurés séparément sur les sorties correspondantes des séparateurs. Dans ces installations de mesure de débit existantes, des vannes sont placées en aval des débitmètres servant à mesurer séparément les débits des différentes phases, dans les tuyauteries de sortie des séparateurs. Ces vannes ont pour fonctions de réguler le niveau de l'interface entre les phases à séparer à l'intérieur du séparateur et de réguler la pression dans le séparateur à une valeur de consigne. Ce type d'installation a pour inconvénient d'être particulièrement encombrant, du fait des dimensions importantes présentées par les séparateurs. Pour cette raison, des études et des expérimentations sont faites en vue de mesurer les débits des différentes phases du fluide s'écoulant d'un puits de pétrole, au moyen d'un débitmètre multiphasique placé directement dans la tuyauterie par laquelle s'écoule le fluide issu du puits. De tels débitmètres présentent en effet un encombrement sensiblement moindre, ce qui permet notamment de les déplacer d'un puits à l'autre, pour effectuer des mesures périodiques sur chacun d'entre eux. Il existe de nombreux types de débitmètres multiphasiques, parmi lesquels on citera uniquement à titre d'exemple les débitmètres décrits dans la demande de brevet français n 97 06648 du 30 mai 1997. Lorsque des débitmètres multiphasiques sont utilisés, la pression qui règne dans le débitmètre est totalement imposée par les conditions qui règnent en tête de puits, c'est-à-dire immédiatement à la sortie du puits de pétrole, et par les conditions qui règnent beaucoup plus loin en aval dans la ligne de production, à l'endroit o les différentes phases du fluide sont définitivement séparées. Exposé de l'invention L'invention a pour objet un procédé de mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique, permettant principalement d'amener les débits des phases liquides et gazeuse du fluide à l'intérieur du domaine de mesure du débitmètre. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique dans lequel s'écoule un fluide multiphasique issu d'un puits de pétrole, en amont d'une région déterminée, caractérisé par le fait qu'on règle la pression dans le débitmètre, afin que les débits respectifs des phases liquides et gazeuse du fluide se trouvent dans le domaine de mesure du débitmètre. Il devient ainsi possible de faire varier la pression dans le débitmètre indépendamment des conditions qui règnent à la sortie du puits et en aval, à l'endroit o s'effectue la séparation définitive des différentes phases du fluide. Ainsi, lorsque les débits des phases liquides et gazeuse du fluide sont situés hors du domaine de mesure du débitmètre, un réglage de la pression dans le débitmètre permet d'amener ces débits à l'intérieur dudit domaine de mesure. De façon accessoire, le réglage de la pression dans le débitmètre permet d'effectuer les mesures pour différentes valeurs de cette pression et d'établir une pression optimale de séparation. Par ailleurs, il est possible de contrôler, par une mesure appropriée, que la chute de pression ainsi induite dans la tuyauterie au niveau du débitmètre n'entraîne pas un écoulement critique du fluide. Dans le cas contraire, les mesures de débit risqueraient en effet d'être erronées dans les conditions d'exploitation normales, après démontage de l'installation de mesure. Lorsqu'on utilise un débitmètre à venturi, on règle la pression afin que la chute de pression dans le venturi soit comprise entre une chute de pression maximale et une chute de pression minimale admissibles dans le débitmètre. Quel que soit le débitmètre utilisé, on règle la pression afin que le rapport entre les débits des phases gazeuse et liquides soit inférieur à un rapport maximal mesurable par le débitmètre. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, on règle la pression au moyen d'une vanne de contre-pression ajustable montée dans la tuyauterie, à la sortie du débitmètre. De préférence, cette vanne de contre-pression définit une section de passage ajustable entre une section minimale non nulle, autorisant un écoulement limité du fluide, et une section maximale proche de la section de la tuyauterie. La vanne de contre-pression peut notamment être à cage ou à pointeau. Dans la forme de réalisation préférée de l'invention, on monte la vanne de contre-pression de façon démontable dans un té de la tuyauterie. L'invention a aussi pour objet une installation de mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique, placé dans une tuyauterie dans laquelle s'écoule un fluide multiphasique, en aval d'un puits de pétrole et en amont d'une région dans laquelle règne une pression déterminée, caractérisée par le fait qu'elle comprend un moyen pour régler la pression dans le débitmètre, afin que les débits respectifs des phases liquides et gazeuse du fluide se trouvent dans le domaine de mesure du débitmètre. Brave description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférée de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective qui représente de façon très schématique l'implantation d'une installation de mesure de débits dans la ligne de production d'un puits de pétrole; - la figure 2 est une vue en perspective qui représente plus en détail une forme de réalisation préférée d'une installation de mesure de débits intégrant un appareil de mise en oeuvre conforme à l'invention; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une vanne de contre-pression à cage, susceptible d'être utilisée dans l'installation de la figure 2; - la figure 4 est une courbe qui représente à titre d'exemple, pour un puits de pétrole donné, l'évolution du rapport RGL entre la phase gazeuse et les phases liquides du fluide, en fonction de la pression P à laquelle la séparation s'effectue; et - la figure 5 représente le domaine de fonctionnement d'un débitmètre, le débit DG de la phase gazeuse étant porté en abscisse et le débit total DL des phases liquides en ordonnée. Description détaillée d'une forme de réalisation préférée de l'invention Sur la figure 1, la référence 10 désigne un puits de pétrole en exploitation. Le fluide pétrolier multiphasique en provenance du réservoir souterrain (non représenté) avec lequel communique le puits 10 s'écoule de celui-ci par une ligne de production. A son extrémité opposée (non représentée), généralement éloignée, la ligne de production est reliée à des séparateurs, au-delà desquels les différentes phases du fluide pétrolier sont traitées ou stockées séparément. En tête de puits, c'est-à-dire immédiatement à la sortie du puits de pétrole 10, la ligne de production est matérialisée par un premier tronçon de tuyauterie 12, qui comprend notamment une vanne de sécurité 14, une duse 16 et des moyens de mesure de pression (non représentés). La duse 16, est en général fixe et permet d'établir un débit d'écoulement optimal du fluide. A cet effet, la duse 16 introduit dans la ligne de production une restriction déterminée afin d'assurer un écoulement critique du fluide lorsque la pression du puits est suffisante. Le débit du fluide pétrolier qui s'écoule par un deuxième tronçon de tuyauterie 13, en aval de la duse 16 est alors indépendant de la pression à laquelle la séparation s'effectue, à l'autre extrémité de la ligne de production. Dans la pratique, un écoulement critique du fluide est obtenu lorsque la pression en amont de la duse est supérieure au double de la pression en aval de celle-ci. On place sur le deuxième tronçon de tuyauterie 13, en aval de la duse 16, une installation 18 permettant de mesurer les débits des différentes phases du fluide multiphasique s'écoulant du puits 10. Cette installation 18 peut être montée à demeure sur le tronçon de tuyauterie 13 ou mise en place périodiquement, par exemple tous les deux ou trois mois, lorsqu'une nouvelle mesure de débit doit être effectuée. Une forme de réalisation préférée de l'installation de mesure 18 est illustrée à titre d'exemple sur la figure 2. Dans cette forme de réalisation, l'installation 18 est une installation amovible, prévue pour être raccordée respectivement sur le deuxième tronçon de tuyauterie 13 par une bride 20 et sur un troisième tronçon de tuyauterie 15 par une bride 22. La bride 20 est formée à une première extrémité d'un premier tronçon de canalisation 24, rectiligne et horizontal, dont l'extrémité opposée est obturée par un bouchon 26. A proximité de ce bouchon 26, l'extrémité basse d'une première branche verticale d'un deuxième tronçon de canalisation 28, en U inversé, débouche dans le premier tronçon de canalisation 24. Un débitmètre multiphasique 30 est placé dans cette première branche verticale du deuxième tronçon de canalisation 28. Ce débitmètre multiphasique 30 peut prendre une forme quelconque sans sortir du cadre de l'invention. Il peut notamment être réalisé conformément aux enseignements de la demande de brevet français n 97 06648 du 30 mai 1997. La deuxième branche verticale du deuxième tronçon de canalisation 28 débouche, par son extrémité inférieure, dans un troisième tronçon de canalisation 32 rectiligne et horizontal, à proximité d'une première extrémité de ce tronçon 32. La bride 22 est formée à l'autre extrémité du troisième tronçon de canalisation 32. Les extrémités attenantes des tronçons de canalisation 28 et 32 forment un té renversé dans lequel est logée, conformément à l'invention, une vanne de contre-pression 34. De façon plus précise, la vanne de contre- pression 34 est montée dans la partie terminale ouverte du troisième tronçon de canalisation 32, dans laquelle débouche le tronçon de canalisation 28 en U inversé. Elle permet d'établir dans le tronçon de tuyauterie 15 (figure 1), à la sortie du débitmètre , une perte de charge réglable. A cet effet, la vanne de contre-pression 34 est ajustable, de façon manuelle ou automatique. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 2, une vanne 35 est placée dans le premier tronçon de canalisation 24, entre la bride 20 et l'embouchure du deuxième tronçon de canalisation 28 et une vanne 36 est placée dans le troisième tronçon de canalisation 32, entre la bride 22 et l'embouchure du deuxième tronçon de canalisation 28. Une canalisation de court-circuit 38 équipée d'une vanne 40 relie les tronçons de canalisation 24 et 32, respectivement en amont de la vanne 35 et en aval de la vanne 36. De plus, une canalisation de court-circuit de sécurité 42 relie les tronçons de canalisation 24 et 32 respectivement en aval de la vanne 35 et en amont de la vanne 36. Cette canalisation de court-circuit de sécurité 42 est équipée d'un disque 44 apte à se rompre lorsque la différence de pression de part et d'autre de celui-ci dépasse un seuil prédéterminé. Les vannes 35, 36 et 40 sont des vannes de fermetures tout ou rien, non réglables. De préférence, l'installation de mesure 18 comprend également des moyens (non représentés) permettant de mesurer la chute de pression totale à l'intérieur de l'appareil. Cette chute de pression totale est égale à la chute de pression induite par le débitmètre multiphasique 30 (lorsqu'elle existe), augmentée de la chute de pression réglable induite par la vanne de contre-pression 34. Pour effectuer cette mesure, on peut utiliser notamment soit un manomètre différentiel placé par exemple entre les tronçons de canalisation 24 et 32, soit deux manomètres absolus fournissant respectivement les valeurs de la pression en amont du débitmètre 30 et en aval de la vanne de contre-pression 34. La mesure de la chute de pression totale induite par l'appareil 18 permet de contrôler s'il n'y a pas un écoulement critique du fluide dans cet appareil. Si ce contrôle est concluant, les mesures de débit peuvent être effectuées et validées. Dans le cas contraire, c'est-à-dire si la pression en amont de l'appareil est au moins double de celle qui règne en aval, le réglage de la vanne de contre-pression 34 est modifié pour réduire la perte de charge jusqu'à ce que les conditions d'écoulement critique soient supprimées. En effet, un régime d'écoulement critique contrecarrerait l'action de la duse 16 (figure 1) lors des mesures de débit. Par conséquent, ces mesures seraient erronées après démontage de l'installation 18 et nouvel établissement d'un écoulement critique par la duse 16. Sur la figure 3, on a représenté un exemple de réalisation de la vanne de contre-pression 34. Dans ce cas, il s'agit d'une vanne à cage, ajustable de façon manuelle. Comme on l'a déjà observé, le réglage de la vanne peut aussi se faire de façon automatique. Par ailleurs, au lieu d'une vanne à cage, on peut utiliser une vanne de type différent telle qu'une vanne à pointeau, sans sortir du cadre de l'invention. Pour faciliter la compréhension, la vanne de contre-pression 34 est représentée sur la moitié supérieure de la figure 3 dans sa configuration de pleine ouverture définissant une section de passage maximale et, sur la moitié inférieure de la figure 3, dans sa configuration d'ouverture minimale définissant une section de passage minimale. Dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 3, la vanne de contre-pression 34 comprend un corps cylindrique 46, formant presseétoupe, monté de façon amovible dans la partie terminale ouverte du troisième tronçon de canalisation 32, au moyen d'un écrou 48 vissé sur l'extrémité filetée de ce tronçon. Cet écrou 48 constitue un moyen de fixation étanche et démontable de la vanne de contre-pression 34 dans le té formé entre les tronçons 28 et 32. Le corps 46 se prolonge au-delà de l'embouchure du deuxième tronçon de canalisation 28, en U inversé, sous la forme d'une partie tubulaire 50. Une fenêtre 52 est pratiquée dans cette partie tubulaire 50, en face du deuxième tronçon de canalisation 28, pour permettre le passage du fluide lorsque la vanne 34 occupe sa configuration de pleine ouverture, procurant une section de passage maximale. Le corps cylindrique 46 de la vanne de contre-pression 34 est traversé de façon étanche selon son axe par un arbre 54 qui coopère avec le corps 46 par l'intermédiaire d'un filetage 56. A son extrémité logée à l'intérieur de la partie tubulaire 50, l'arbre 54 porte une cage 58. Un volant 60 est monté à l'autre extrémité de l'arbre 54, à l'extérieur du corps 46 et du troisième tronçon de canalisation 32. En outre, des moyens d'étanchéité tels que des joints 61 et 62 sont prévus, de façon à isoler complètement de l'extérieur le fluide s'écoulant dans l'installation. Lorsque la cage 58 est amenée dans sa configuration de pleine ouverture, comme on l'a illustré sur la moitié supérieure de la figure 3, la cage 58 est escamotée dans la partie tubulaire 50, de telle sorte que la fenêtre 52 est totalement dégagée. Une section de passage maximale proche de la section de la tuyauterie 12 (figure 1) est alors définie par la vanne 34. Lorsque la vanne de contre-pression 34 est réglée, en agissant sur le volant 60, de façon à être amenée dans sa configuration d'ouverture minimale, telle qu'illustrée sur la moitié inférieure de la figure 3, la cage 58 obture la fenêtre 52, à l'exception d'une entaille 64 prolongeant cette fenêtre vers l'autre extrémité du troisième tronçon de canalisation 32, en face de l'embouchure du deuxième tronçon de canalisation 28. Par conséquent, la vanne 34 définit alors une section minimale non nulle. Cette caractéristique permet d'assurer un écoulement limité du fluide dans cette configuration. La section minimale est déterminée afin de ne pas dépasser la limite de pression supportable par le débitmètre 30, dans le cas o cette limite est inférieure à la pression de fermeture du puits, c'est-à-dire à la pression de tête de puits à débit nul. Lorsqu'on désire effectuer une mesure des débits des différentes phases du fluide multiphasique s'écoulant du puits de pétrole 10, on monte l'installation de mesure 18 entre les tronçons de tuyauterie 13 et 15, comme l'illustre schématiquement la figure 1. La présence de la vanne de contre-pression 34 permet alors d'effectuer les mesures en réglant la pression dans le débitmètre. Comme l'illustre schématiquement la figure 5, il peut arriver que les conditions régnant en tête de puits soient incompatibles avec le domaine de mesure du débitmètre multiphasique 30 utilisé. Plus précisément, pour un débitmètre donné, ce domaine de mesure est défini, dans un repère sur lequel on porte en abscisse le débit de gaz DG et en ordonnée le débit total des liquides DL. Dans le cas d'un débitmètre à venturi, le domaine de mesure est situé en dessous d'une première courbe APmax (en traits discontinus) représentant la chute de pression maximale admissible dans le débitmètre, et au-dessus d'une deuxième courbe APmin (en traits mixtes) représentant la chute de pression minimale admissible dans le débitmètre. Quel que soit le type de débitmètre utilisé, le domaine de mesure est également situé au-dessus d'une droite RGeLax (en trait plein) représentant le rapport gaz/liquide maximal mesurable par le débitmètre. Lorsque les conditions d'écoulement régnant en tête de puits correspondent au point A sur la figure 5, un débitmètre à venturi ne pourrait pas normalement être utilisé puisque la chute de pression excède la chute de pression maximale admissible à l'intérieur du débitmètre (courbe APmax). Dans ce cas, une augmentation de la pression dans le débitmètre 30, obtenue par une fermeture partielle de la vanne de contre-pression 34, permet de réduire le volume de gaz, de sorte que les conditions d'écoulement initiales illustrées par le point A sont remplacées par les conditions d'écoulement illustrées par le point A'. Si la perte de charge induite par la vanne 34 est suffisante, le point A' se trouve à l'intérieur du domaine de mesure du débitmètre (zone non hachurée sur la figure 5). La mesure peut alors être effectuée. De même, si les conditions d'écoulement sont telles que l'illustre le point B sur la figure 5, c'est-à-dire si la quantité de gaz présente dans le liquide excède le seuil mesurable par le débitmètre 30 (droite RGmX), une fermeture appropriée de la vanne de contre-pression 34 permet de déplacer le point B en B', en réduisant le volume du gaz présent au niveau du débitmètre. Une mesure est alors possible si le point B' se trouve à l'intérieur du domaine de mesure du débitmètre (zone non hachurée sur la figure 5). On peut aussi régler la vanne de contre-pression 34 afin d'établir dans le débitmètre multiphasique 30 une pression optimale de séparation Po. Afin d'effectuer ce réglage, on peut réaliser des mesures pour différentes valeurs de la pression dans le débitmètre. La pression optimale de séparation Po est la pression pour laquelle le rapport RGL entre la phase gazeuse et les phases liquides est minimal, c'est-à-dire pour laquelle la phase de pétrole liquide contenue dans le fluide est maximale (figure 4). La possibilité de faire varier la pression dans le débitmètre multiphasique 30, peut aussi être utilisée pour vérifier la consistance des résultats obtenus au cours des précédents essais. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation qui vient d'être décrite à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. Ainsi, l'implantation de la vanne de contre-pression 34 à la sortie du débitmètre multiphasique 30 peut être faite de manière différente, en un emplacement autre qu'un té, qui peut être plus proche ou plus éloigné du débitmètre 30 que dans la forme de réalisation décrite. REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique (30) dans lequel s'écoule un fluide multiphasique issu d'un puits de pétrole (10), en amont d'une région déterminée, caractérisé par le fait qu'on règle la pression dans le débitmètre (30), afin que les débits respectifs des phases liquides et gazeuse du fluide se trouvent dans le domaine de mesure du débitmètre. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on utilise un débitmètre (30) à venturi, et on règle la pression afin que la chute de pression dans le venturi soit comprise entre une chute de pression maximale et une chute de pression minimale admissibles dans le débitmètre. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel on règle la pression afin que le rapport entre les débits des phases gazeuse et liquides soit inférieur à un rapport maximal mesurable par le débitmètre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on règle la pression au moyen d'une vanne de contre-pression ajustable (34) dans la tuyauterie (12), à la sortie du débitmètre (30). 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel on utilise une vanne de contre-pression (34) qui définit une section de passage ajustable entre une section minimale non nulle, autorisant un écoulement limité du fluide, et une section maximale proche de la section de la tuyauterie (12). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, dans lequel on utilise une vanne de contre-pression (34) à cage ou à pointeau. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel on monte la vanne de contre-pression (34) de façon démontable dans un té de la tuyauterie (12). 8. Installation de mise en oeuvre d'un débitmètre multiphasique (30), placé dans une tuyauterie (12) dans laquelle s'écoule un fluide multiphasique, en aval d'un puits de pétrole (10) et en amont d'une région dans laquelle règne une pression déterminée, caractérisée par le fait qu'elle comprend un moyen (34) pour régler la pression dans le débitmètre (30), afin que les débits respectifs des phases liquides et gazeuse du fluide se trouvent dans le domaine de mesure du débitmètre. 9. Installation selon la revendication 8, dans laquelle ledit moyen pour régler la pression est une vanne de contre-pression ajustable (34). 10. Installation selon la revendication 9, dans laquelle la vanne de contre-pression (34) définit une section de passage ajustable entre une section minimale non nulle et une section maximale proche de la section de la tuyauterie (12). 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, dans laquelle la vanne de contre-pression (34) est à cage ou à pointeau. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans laquelle la vanne de contre-pression (34) est montée, par des moyens de fixation (48) étanches et démontables, dans un té de la tuyauterie (12).