Brevet FR2840952A1 — publié le 20031219

S comprend au moins quatre modules. INSTALLATION D 'EXTRACTION D'HYDROCARBURES POUR PUITS DE FORAGE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La presente invention se rapporte au domaine de l'industrie petroliere, et plus precisement a des installations d' extraction d'hydrocarbures pour puits de forage, comprenant un systeme de pompage immerge en fond de puits ainsi qu'un debitmetre associe audit systeme. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Lors de la realisation d' operations d' extraction d'hydrocarbures se situant au fond d'un puits de forage, le materiel utilise pour effectuer ces operations est choisi en fonction de la nature du putts. En effet, lorsqu'une zone puisee est essentiellement constituee d'hydrocarbures, le puits de forage est souvent naturellement eruptif, et ne necessite par consequent aucun moyen additionnel favorisant l' extraction des hydrocarbures contenus dans le putts. Neanmoins, il arrive frequemment que les hydrocarbures a extraire du puits de forage soient melanges avec de 1'eau. Ce melange resulte notamment de la proximite, presque systematique, d'une formation contenant de lteau et de la partie inferieure du reservoir d'hydrocarbures. Ainsi, particulierement au niveau d'une partie inferieure du reservoir d'hydrocarbures, on ne peut empecher la formation d'un melange hydrocarbures/eau, notamment a cause d'un deplacement de l'eau par capillarite. Le melange hydrocarbures/eau present a l'interieur du puits a pour principale consequence de rendre le puits de forage non-eruptif, de sorte qu'il est alors necessaire, pour son exploitation, d' employer des moyens supplementaires pour extraire le fluide alourdi par la presence de l'eau. Dans ce domaine technique, plusieurs realisations ont deja ete proposees. On connat tout d'abord une technique visant a injecter du gaz, de preference de l'azote, au dessus des zones de production d'hydrocarbures, afin d' alleger le melange hydrocarbures/eau confine dans la colonne de production. Cependant, il s'avere que cette technique ne donne pas entiere satisfaction, notamment en termes de quantite de melange extrait par rapport au volume de gaz a injecter. De plus, la mise en muvre de cette technique necessite des equipements lourds et relativement onereux, tels qu'un compresseur de forte puissance et une valve de fond. Une autre technique connue consiste a mettre en place une pompe electrique au niveau de la surface du sol, et a la relier directement au fond de putts. Lors de l'utilisation d'une telle technique, on s'est rapidement apercu que la tres faible rentabilite de l' installation ne pouvait etre acceptable, particulierement en raison de la cavitation de la pompe des une pression atteignant 0,6 ou 0,7 Bar. Une methode plus recense, egalement connue dans l'art anterieur, reside dans l'utilisation d'une pompe immergee, situee au fond du puits de forage. Du fait des couts d'investissement et de mise en muvre importants lies a la pompe immergee, il parat aujourd'hui indispensable de pouvoir controler parfaitement certains parametres pour faire fonctionner cette pompe dans des conditions de rendement optimal, afin de ne pas l'endommager. A cet egard, il est alors conseille de surveiller les surchauffes eventuelles, ainsi que des donnees diverges telles que la production de gaz ou encore la production de sable. Pour qu'un operateur soit en mesure de connatre le rendement energetique de la pompe immergee, cette derriere est couplee a un debitmetre a venturi generalement situe en aval de la pompe, permettant de determiner la vitesse du melange provenant du puits de forage et transitant par ce debitmetre. A ['aide de la mesure concernant la vitesse du melange, il est alors possible den deduire son debit. Toutefois, l' installation comprenant la pompe immergee ainsi que le debitmetre a venturi presente certains inconvenients majeurs, pouvant staverer prejudiciables lors de la realisation d' operations d' extraction d'hydrocarbures se situant au fond du poits de forage. En effet, outre les couts excessivement importants relatifs a la pompe immergee, il est egalement necessaire d'y ajouter le cout du debitmetre a venturi, qui est lui aussi tres consequent en raison de la presence de deux jauges de pression de grande precision. De plus, ce type de debitmetre est intrusif, et complique ou interdit alors toutes techniques de diagraphie. En outre, il existe egalement un inconvenient relatif a la determination de la puissance hydraulique de la pompe. En effet, dans un debitmetre a venturi destine a renseigner sur la vitesse du melange, la valeur mesuree a travers une chute de pression entre l'amont et le col du venturi depend du carre de la vitesse de ce melange, ainsi que de la densite de ce dernier. Cette caracteristique specifique signifie qu'il existe des imprecisions dans la determination de la valeur de cette vitesse, ces imprecisions etant d'autant plus importantes que la vitesse du melange traversant le debitmetre est faible. Le concepteur d'une telle installation sera done force de privilegier soit les faibles pertes de charges au detriment de l'exactitude de la mesure de ia vitesse, soit la limitation des imprecisions concernant cette me sure de vitesse, en favorisant alors les pertes de charges au niveau du debitmetre. Avec une installation de faible performance metrologique comme celle qui vient d'etre decrite, le contr81e de la puissance hydraulique de la pompe, et par consequent celui du rendement energetique de cette derriere, restent tres peu maltrises et ne permettent en aucun cas a un operateur de s' assurer du bon fonctionnement de la pompe situee au fond du puits de forage. EXPOSE DE L' INVENTION Le but de la presente invention est done de proposer une installation d' extraction d'hydrocarbures pour puits de forage comprenant un systeme de pompage immerge en fond de puits ainsi qu'un debitmetre associe a ce systeme, en remediant au moins partiellement aux inconvenients des installations de l'art anterieur cites ci-dessus. De plus, un autre but de l' invention est de proposer une installation d' extraction d'hydrocarbures pour puits de forage comprenant un systeme de pompage immerge en fond de puits ainsi qutun debitmetre associe a ce systeme, cette installation permettant en outre de renseigner sur le rendement energetique du systeme de pompage de facon moins couteuse et plus precise que dans les installations de lart anterieur. Pour ce faire, l' invention a pour objet une installation d' extraction d'hydrocarbures pour puits de forage, comprenant un systeme de pompage immerge en fond de puits ainsi qu'un debitmetre associe au systeme, le systeme de pompage immerge etant alimente par une source d'alimentation electrique. Selon l' invention, le debitmetre est un debitmatre electromagnetique, egalement alimente electriquement par la source d'alimentation du systeme de pompage immerge. Avantageusement, l'utilisation d'un debitmetre electromagnetique dans l' installation selon l' invention permet de s'affranchir des problemes lies aux pertes de charges presents dans les installations de l'art anterieur. En effet, un debitmetre electromagnetique etant non-intrusif, le passage a travers ce debitmetre d'un melange hydrocarbures/eau ne necessite en aucune fac, on d' augmenter la puissance a delivrer au systeme de pompage immerge, afin que celui- ci engendre un debit de melange equivalent au debit qu'il aurait engendre sans la presence du debitmetre. L' installation selon l' invention permet done de realiser une economic non negligeable en matiere de couts de production de l' exploitation du puits de forage. De plus, en utilisant la source dalimentation electrique (de l'ordre de quelques centaines de kilowatts) du systeme de pompage immerge, le debitmetre electromagnetique ne requiert pas d'alimentation supplementaire. En particulier, les pompes electriques actuelles necessitant de tres forts amperages (de l'ordre de quelques dizaines d'Amperes), les champs magnetiques qui peuvent en resulter dans les bobines du debitmetre permettent de generer des effete Faraday tres facilement mesurables. On peut egalement noter que la puissance consommee par les bobines d' induction du debitmetre reste totalement derisoire par rapport a la puissance requise pour le fonctionnement du systeme de pompage immerge, de sorte que l'adjonction dun tel debitmetre ne necessite nullement un surdimensionnement de la source d'alimentation electrique utilisee. Un autre avantage de l'lnvention concerne la mesure effectuee par le debitmetre electromagnetique. Contrairement a un debitmetre a venturi, les debitmetres electromagnetiques mesurent une tension electrique, qui est directement dependante de la vitesse du melange. Par consequent, on dispose d'une methode de mesure qui est largement plus precise que dans l'art anterieur, ce qui permet de contr81er le rendement energetique du systeme de pompage immerge de fac,on particulierement aisee. bins), l' installation selon l' invention permet de limiter fortement les risques de degradation du systeme de pompage immerge se situant au fond d'un puits de forage. Enfin, il est a preciser que le melange hydrocarbures/eau circulant a l'interieur du debitmetre electromagnetique etant electriquement conducteur, il permet done la creation d'un effet Faraday au sein du debitmetre. Selon un mode de realisation prefere de l' invention, l' installation comprend une colonne de production s'etendant du fond de puits a une tete de puits, cette colonne de production portent ledit systeme de pompage immerge. De plus, on peut egalement prevoir que l' installation comprend une canalisation de surface situee en dehors du puits de forage et raccordee a ladite colonne de production, cette canalisation de surface portent ledit debitmetre electromagnetique. D'autres caracteristiques et avantages de l' invention apparaltront dans la description detaillee, non limitative, ci-dessous. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexes parmi lesquels: - la figure 1 represente une vue schematique en coupe d'un puits de forage en exploitation, muni d'une installation d' extraction d'hydrocarbures selon un mode de realisation prefere de l' invention; - la figure 2 represente une vue schematique en perspective, a plus grande echelle, d'un debitmatre electromagnetique de l' installation d' extraction d'hydrocarbures representee sur la figure EXPOSE DETAILLE D'UN MODE DE REALISATION PREFERE En reference a la figure 1, on volt un puits de forage 1 en exploitation, traversant schematiquement trots formations distinctes. Dans une direction allant d'une tete de puits 2 a un fond de puits 4, on note successivement une formation 6 du type roche, une formation riche en hydrocarbures et egalement appelee reservoir 8, et une formation 10 essentiellement constituee d'eau. Le puits de forage 1, de forme sensiblement cylindrique, dispose d'un coverage 12 cimente. La presence d'un tel cuvelage est principalement ustifiee par la possibilite quasi permanente d'une obturation du puits de forage 1, pouvant par exemple etre engendree par un affaissement de la formation 6 non securisee. Pour proceder a l' extraction des hydrocarbures, eventuellement melanges avec de l'eau, le puits de forage 1 coopere avec une installation d' extraction d'hydrocarbures, representee de fa,con generale par la reference 13. L' installation 13 comprend tout d'abord a l'interieur du puits de forage 1, une colonne de production 14 se prolongeant de la tete de puits 2 jusque dans le fond de puits 4. La colonne de production 14 (de l'anglais À ), est positionnee et maintenue a l'interieur du puits de forage 1 a l' aide de joints 16, interdisant la circulation des hydrocarbures dans une partie autre qu'un espace cylindrique interieur 15, defini par la colonne de production 14. Au niveau du reservoir 8, le cuvelage 12 cimente du puits de forage 1 dispose d'une pluralite d'orifices 18, rendant possible le passage des hydrocarbures du reservoir 8 a travers ce cuvelage 12, en direction de la colonne de production 14 de l' installation 13. L' installation 13 comprend egalement un systeme de pompage 20 immerge dans le fond de puits 4, et monte sur une extremite inferieure 14a de la colonne de production 14. Le systhme de pompage immerge 20 comporte une pompe immergee 22, ainsi qu'un moteur electrique 24 apte a entralner la pompe 22. Le systeme de pompage immerge 20 est alimente electriquement a l' aide d'une source d'alimentation electrique 26 placee en dehors du puits, par l'intermediaire d'un cable d'alimentation 28, connecte au moteur electrique 24. Au niveau d'une extremite superieure 14b de la colonne de production 14 de l' installation 13, une canalisation de surface 30 est raccordee d'une part a la colonne de production 14, et d'autre part a des moyens de recuperation (non representes) d'un melange hydrocarbures/eau, afin de proceder eventuellement a la separation hydrocarbures/eau et a la reinjection de l'eau dans la formation 6 du type roche. L' installation 13 comprend de plus un debitmetre electromagnetique 32, porte par la canalisation de surface 30, et apte a mesurer le debit du melange hydrocarbures/eau provenant du puits de forage 1. Il est precise que le debitmetre 32 pourrait egalement etre monte sur la colonne de production 14, et de preference a proximite du systeme de pompage 20. Notons que le choix de montage du debitmetre 32 sur la canalisation de surface 30 est principalement justifie par la simplicite de la mise en muvre. En reference aux figures 1 et 2, le debitmetre electromagnetique 32 est un debitmetre classique, comprenant deux bobines d' induction 36 disposees de part et d'autre de la canalisation de surface 30, et traversees par un courant electrique provenant de la source d'alimentation electrique 26. De preference, le debitmetre electromagnetique 32, raccorde electriquement a la source 26 par l'intermediaire d'un cable d'alimentation 38, est branche en serie avec le systeme de pompage immerge 20. On peut egalement noter qu'il est possible de prevoir un couplage inductif (non represente), afin de generer un courant de frequences differentes dans les bobines d' induction 36 et le moteur electrique 24 du systeme de pompage immerge 20. Durant ['exploitation, lorsque le puits de forage 1 est eruptif, les hydrocarbures contenus dans le reservoir 8 se dirigent naturellement vers la colonne de production 14, comme le montre la fleche A de la figure 1, en empruntant prealablement les orifices 18 pratiques dans le cuvelage 12 cimente du puits de forage 1, comme represente par les fleches B. Neanmoins, il arrive frequemment que le fluide a extraire du puits 1 soit compose d'un melange d'hydrocarbures et d'eau. En effet, la proximite existante du reservoir 8 d'hydrocarbures et de la formation 10 constituee essentiellement d'eau entrane 1S un deplacement de l'eau de la formation 10 vers le reservoir 8 d'hydrocarbures, comme le montrent les fleches C. Ce phenomene provoque la formation d'un melange hydrocarbures/eau, et alourdit considerablement le fluide destine a etre extrait du puits de forage 1. Dans un cas comme celui-ci, le puits de forage 1 n'est souvent plus eruptif, et l' installation 13 necessite des moyens additionnels, favorisant la remontee du melange hydrocarbures/eau a la surface du sol. C'est ainsi que l'on utilise le systeme de pompage immerge 20, de sorte que le melange hydrocarburesfeau soit introduit dans la colonne de production 14, puts, comme le montre la fleche D, dans la canalisation de surface 30. Le melange hydrocarbures/eau circule alors dans la canalisation de surface 30, en direction des moyens de recuperation du melange, en passant par le debitmetre electromagnetique 32, ce dernier ayant pour principale caracteristique d'etre non-intrusif. En reference a la figure 2, lors de l'ecoulement du melange a l'interieur de la canalisation 30, un champ magnetique B' perpendiculaire a une direction d'ecoulement du melange representee par la fleche E et engendre par les bobines d' induction 36, induit une tension U perpendiculaire au champ magnetique B' et a la direction d'ecoulement du melange. Selon ce principe reposant sur les lois de Faraday, la tension U mesuree a l' aide d'un appareil de mesure 40 est directement proportionnelle a la vitesse d'ecoulement du fluide circulant a l'interieur du debitmetre electromagnetique 32. En connaissant le diametre interieur D' de la canalisation 30, et done la mesure de sa section transversale, il est alors possible de determiner le debit,olumique du puits de forage 1. Cette mesure est tres importante dans le sens ou elle permet de definir la puissance hydraulique restituee par le systeme de pompage 20, par simple multiplication avec la difference de pression du melange en amont et en aval de la pompe immergee 22. La puissance hydraulique restituee par le systeme de pompage 20 peut alors etre comparee a la puissance electrique consommee par celle-ci, par exemple mesurable a l' aide d'un compteur d'energie classique. La finalite de la mesure de la vitesse du melange transitant par le debitmetre electromagnetique 32, est de pouvoir controler le rendement energetique global du systeme de pompage immerge 20, ce qui est realise en procedant au simple rapport des puissances hydraulique et electrique determinees. Ainsi, de maniere relativement simple, on est capable de controler precisement le rendement du systeme de pompage 20, afin d'eviter tout endommagement de celui-ci durant les operations d' extraction des hydrocarbures. Cette simplicite est d'autant plus accentuee que la source d'alimentation electrique 26, delivrant pour faire fonctionner le systeme de pompage , une puissance allant d' environ 100 kW a environ 1000 kW, et une intensite allant d' environ 10 A a environ 100 A, peut egalement alimenter le debitmetre electromagnetique 32. Etant donne les courants importants circulant dans le debitmetre 32, les bobines d' induction 36 ne necessitent qutun nombre tres restreint de spires pour pouvoir obtenir un champ magnetique B. de quelques miliTesla, cet ordre de grandeur du champ magnetique B' etant largement suffisant pour engendrer des tensions induites U facilement mesurables. Bien entendu, diverges modifications peuvent etre apportees par l'homme de l'art a l' installation qui vient detre decrite, uniquement a titre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 1. Installation (13) d' extraction dthydrocarbures pour puits de forage (1), comprenant un systeme de pompage (20) immerge en fond de puits (4) ainsi qu'un debitmetre (32) associe audit systeme (20), ledit systeme de pompage immerge (20) etant alimente par une source d'alimentation electrique (26), caracterisee en ce que le debitmetre (32) est un debitmetre electromagnetique, egalement alimente electriquement par la source d'alimentation (26) audit systeme de pompage immerge (20). 2. Installation (13) selon la revendication 1, caracterisee en ce qu'elle comprend une colonne de production (14) s'etendant du fond de puits (4) a une tete de puits (2), cette colonne de production (14) portent ledit systeme de pompage immerge (20). 3. Installation (13) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caracterisee en ce qu'elle comprend de plus une canalisation de surface (30) situee en dehors du puits de forage (1) et raccordee a ladite colonne de production (14), cette canalisation de surface (30) portent ledit debitmetre electromagnetique (32). 4. Installation (13) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que le systeme de pompage immerge (20) comprend une pompe immergee (22) ainsi qu'un motur electrique (24) entranant ladite pompe (22). 5. Installation (13) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que le debitmetre electromagnetique (32) et le systeme de pompage immerge (20) vent alimentes par une source d'alimentation electrique (26) situee en surface et delivrant une puissance comprise entre environ 100 et 1000 kW, et une intensite comprise entre environ 10 et 100 A. 6. Installation (13) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce que le systeme de pompage immerge (20) et le debitmetre electromagnetique (32) vent branches en eerie. 7. Installation (13) selon l'une quelconque des revendications precedentes, caracterisee en ce qu'elle comprend un couplage inductif apte a generer un courant de frequences differentes dans le debitmetre electromagnetique (32) et le systeme de pompage immerge