Brevet FR3026773A1 — publié le 20160408

APPAREIL DE CONTRÔLE DE PRESSION D'INJECTION DANS LA RECUPERATION ASSISTEE DU PETROLE OFFSHORE La récupération assistée du pétrole (RAP) qui a été industrialisée spécialement aux Etats- Unis entre 1973, date du premier choc pétrolier, et 1986, date de l'effondrement du prix du pétrole à 10 dollars le baril, a été remise à l'ordre du jour au début des années 2000 lorsque le prix du pétrole a dépassé 40 dollars le baril. Avec un coût actuel de 100 dollars le baril, la récupération assistée du pétrole avec l'utilisation de polymères hydrosolubles, qui permet une augmentation du rendement de 10% à 20% des réserves en place supplémentaire, est devenue une technique de choix. Cependant, sa mise en oeuvre sur des champs pétroliers importants se heurte à certains problèmes techniques qui sont résolus progressivement. L'un des matériels qui a permis ce développement est le PSU (Polymer Slicing Unit) décrit dans le brevet EP2203245. Ces types de polymères hydrosolubles sont très difficiles à disperser à cause d'un effet de collage et d'agglomération donnant des gels ou « yeux de poisson » (« fish eyes ») très longs à dissoudre. Ces gels ne peuvent être injectés dans les formations sans dommage. Le PSU permet à la fois une excellente dispersion et une concentration de dissolution élevée réduisant les tailles des cuves de dissolution et des pompes haute pression qui constituent une part importante des investissements nécessaires. Le second problème est la dégradation mécanique du polymère. Habituellement, sur un champ pétrolier, une seule pompe d'injection d'eau alimente plusieurs puits. Mais à cause de l'hétérogénéité des champs, les pressions d'injection sont différentes d'un puits à un autre. Pour cela, on installe à la tête des puits une vanne de contrôle ou de régulation de pression appelée duse. La solution de polymère ne peut passer à travers cette duse sans une dégradation pratiquement proportionnelle à la perte de charge. Approximativement, une perte de charge de 20 bars va dégrader de l'ordre de 20% la viscosité. Une perte de charge de 50 bars dégradera de l'ordre de 50% la viscosité. Evidemment ces dégradations sont dépendantes du type de polymère, de la viscosité, de la concentration de la composition de la saumure de dissolution, de la température. Seuls des tests pilotes permettent de prévoir l'amplitude de la dégradation.35 Pour remédier à ce problème, diverses solutions ont été utilisées : Habituellement, la solution mère préparée à une concentration de 10 à 20 gr/litre est pompée par une pompe triplex haute pression en tête de puits, après la duse, avant un mélangeur statique. Ce système demande de nombreuses pompes (une par puits) et de nombreux pipelines, ce qui augmente le coût de l'installation. Une autre solution est de créer une solution à la concentration finale (500 à 3000 ppm) et de l'injecter dans chaque puits par l'intermédiaire d'un réducteur de pression linéaire tel que décrit dans le brevet US 8607869. Ce réducteur de pression linéaire est modulaire et permet à l'aide de 3 à 6 longueurs de tubes séparés par des vannes 4 voies de régler la pression avec une précision de 1 à 5 bars, ceci pouvant se faire manuellement ou par l'intermédiaire d'un automate programmable. Il se présente sous forme d'un caisson où les enroulements de tubes inox peuvent être activés ou désactivés pour obtenir la pression requise. Au point de vue technique, l'écoulement d'une solution de polymère dans un tube n'engendre pas de dégradation ou une dégradation très faible du polymère jusqu'à une certaine vitesse dépendant du diamètre du tube, de la viscosité, de la salinité de la solution et qui peut être déterminée par expérience. La perte de charge évolue en fonction de la vitesse d'écoulement de la solution polymérique dans le tube, en fonction du débit comme le montrent les figures 1 et 2. Autrement dit le polymère est plus ou moins dégradé en fonction de la vitesse d'écoulement comme le montre la figure 3. Habituellement, la dégradation dépend de la vitesse et du diamètre du tube. On considère qu'une perte de charge de 1 bar sur 10 mètres entraine une dégradation acceptable. Cependant, dû à la composition de la saumure, du type et de la concentration du polymère, de la température, des essais préalables permettent d'optimiser le diamètre et la longueur du tube constituant une duse linéaire. Dans le cas mentionné dans les figures 1 à 3, et pour un diamètre donné de 1 pouce (2,54 cm), pour que la perte de charge soit inférieure ou égale à 1 bar sur 10 mètres, il faudra que la vitesse d'écoulement ne dépasse pas les 7.5 m/s environ, et le débit ne dépasse pas les 13 m3/h. Habituellement, les duses standards permettent de régler la pression sur une plage de perte de charge de 0 à 50 bars ce qui correspond à l'utilisation d'un réducteur de pression linéaire de 500 mètres environ. Un réducteur de pression linéaire tel que décrit dans le brevet US8607869 fonctionne très bien lorsqu'il est utilisé en surface car il est directement accessible pour les opérations de contrôle et de maintenance. Les connections liquide, électrique ou hydraulique deviennent extrêmement importantes lorsqu'on souhaite un degré de fiabilité important. Mais ce type d'appareil devient très complexe lorsqu'on veut l'adapter à des applications sous-marines, en particulier en ce qui concerne le remplacement des vannes, des serpentins, des appareils de mesure, le contrôle des ouvertures de vannes, les raccordements en surface et la maintenance forte suivant les cas, par des plongeurs ou des robots. Extrapolé à une installation sous-marine, ce type d'appareil entraine des contraintes supplémentaires inhérentes à sa technologie (appareils de contrôle, de mesure, confirmation des ouvertures des vannes, mesure de débit et de pression, modules de connectables pour la maintenance, boîtiers électriques, ombilicaux, ...). Le but de l'invention est donc de simplifier le système de manière à lui donner la robustesse et la simplicité nécessaire à une utilisation sous-marine. Les champs de production sous-marine ont une architecture assez différente des champs 25 terrestres. Ils sont traités à partir de platefonnes ou de bateaux (FPSO) (figure 4). Les politiques d'injection d'eau ou de solution de polymères sont très différentes en fonction de la société exploitante. Le procédé le plus simple consiste à avoir un tube (riser) d'injection par puits. Dans cette 30 configuration, la dilution de la solution mère s'effectue par injection dans le tube haute pression après la duse de surface installée sur le bateau ou la plateforme. Le diamètre de ces tubes de transport est généralement de l'ordre de 10 pouces (25,4 cm), ce qui ne génère pas de perte de charge significative. 35 Mais pour les champs plus étendus, le plus souvent, chaque FPSO ou plateforme descend plusieurs risers vers des collecteurs (manifolds) qui distribuent le flux sur plusieurs puits par l'intermédiaire de duses pour régler la pression d'injection pour chaque puits. Ce système est totalement pénalisant pour les solutions de polymère car à partir d'une perte de charge dans la duse de 10 à 15 bars, les polymères sont dégradés de manière significative. La perte d'efficacité du procédé de récupération assistée du pétrole due à la dégradation du polymère avant son injection dans le puits doit alors être compensée par une concentration accrue de polymère, qui, sur des périodes d'exploitation de 5 à 10 ans, représente un coût extrêmement élevé. L'invention consiste à insérer en amont ou en aval d'une duse un réducteur de pression, sous forme d'un tube permettant d'absorber la majorité de la perte de charge nécessaire, la duse elle-même permettant d'ajuster la pression dans la plage comprise entre 0 et 10 bars, c'est-à-dire sur une plage n'engendrant pas de dégradation importante du polymère. La combinaison d'un réducteur de pression, dont les dimensions peuvent être calculées sur terre, avec une duse dont le rôle est d'ajuster la pression sans que cela dégrade significativement le polymère permet de résoudre le problème exposé précédemment. Cela permet de limiter la dégradation du polymère de manière tout à fait acceptable en la réduisant à moins de 10%. Par exemple, sur un puits où la réduction de pression nécessaire est de l'ordre de 50 bars, le réducteur de pression permet d'obtenir une perte de charge d'environ 45 bars et la duse de 0 à 10 bars. L'invention a donc pour objet un appareil de contrôle de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puit de pétrole sous-marins, ledit appareil étant apte à être immergé et étant constitué : - d'un réducteur de pression sous la forme d'au moins un tube destiné à être inséré ente deux tronçons de canalisation principale d'injection, le réducteur de pression présentant un diamètre inférieur à celui de la canalisation principale et étant apte à absorber la majorité de la perte de charge ; - d'une duse positionnée immédiatement en amont ou en aval du réducteur de pression, ladite duse étant apte à être réglée pour permettre un contrôle de pression compris entre 0 et 10 bars. Selon l'invention, le réducteur de pression est apte à absorber au moins 60% de la perte de charge, préférentiellement au moins 80%, plus préférentiellement au moins 90%. Dans un mode de réalisation préféré, le tube du réducteur de pression comprend au moins une section de tube flexible, ce qui permet de pouvoir manipuler plus facilement le tube en milieu sous-marin lors de son installation ou de son entretien par des plongeurs ou des robots sous-marins. Le réducteur de pression comprend une ou plusieurs sections de tube flexible raccordées bout à bout entre elles et à la duse par des raccords rapides permettant une fixation facile. Les raccords dits rapides sont bien connus de l'homme de métier car ils permettent de connecter facilement les éléments l'un à l'autre, y compris dans des conditions de manipulation difficiles comme le milieu sous-marin. Ils sont également appelés systèmes de connexion rapides. Les tubes flexibles sont choisis parmi tous les types de tuyaux flexibles composés de plastique, caoutchouc ou composite. Ils sont préférentiellement constitués d'un composite 10 caoutchouc-textile ou métalloplastique apte à résister à des hautes pressions, au moins égale à la pression de la pompe d'injection. Dans un mode de réalisation alternatif, le réducteur de pression linéaire comprend une ou plusieurs sections de tube rigide métallique raccordées en série entre elles et à la duse 15 directement ou par l'intermédiaire de tubes flexibles. Dans ce cas, le ou les sections de tube rigide métallique sont sous une forme enroulée en spirale. En pratique, les tubes métalliques sont réalisés en aciers inoxydables, en particulier en aciers austéno-fertitiques dits « superduplex » ou aciers austénitiques durcis en surface 20 (nitruration sous vide, kolsterisation) présentant une résistance mécanique élevée ainsi qu'une forte tenue à la corrosion. Le réducteur de pression est positionné en aval ou en amont de la duse. L'appareil de contrôle de pression selon l'invention est positionné en aval du collecteur (manifold). 25 Le diamètre interne du tube est compris entre 'A pouce (1,27 cm) et 4 pouces 10,16 cm), préférentiellement compris entre 14 (1,27 cm) et 3 pouces (7,62 cm). Ce diamètre est faible comparé au diamètre interne de la canalisation principale d'injection, qui est de l'ordre de 10 pouces (25,4 cm). 30 Autrement dit, la réduction de pression dans un tube de diamètre interne de J'ordre de 10 pouces (25,4 cm) est considéré comme non significative dans le cadre de l'invention, alors que la réduction de pression dans un tube de diamètre compris entre 1/2 (1,27 cm) et 4 pouces (10,16 cm) est significative sans pour autant engendrer une dégradation 35 significative du polymère. En effet, dans les canalisations principales d'injection, la vitesse est de l'ordre de 2 à 3 mètres seconde alors qu'elle atteint 6 à 14 mètres/seconde dans le tube du réducteur de pression linéaire. La longueur de tube constitutif du réducteur de pression est comprise entre 10 et 1000 mètres, préférentiellement entre 50 et 600 mètres. L'invention a également pour objet un procédé pour réduire la pression d'injection de polymère en fonction de la pression de fracturation du puits mettant en oeuvre l'appareil précédemment décrit dans un procédé de récupération assistée du pétrole en offshore. Plus précisément le procédé selon l'invention comprenant les étapes suivantes : - Calculer la réduction de pression nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ; - Déterminer par des tests au sol, le dimensionnement et la nature du tube constitutif du réducteur de pression, de telle manière que la perte de charge soit égale à la réduction de pression nécessaire moins celle apportée par la duse, et ce, dans les conditions d'injection de la solution aqueuse polymérique sur champs ; - Immerger puis connecter le réducteur de pression avec la duse et insérer l'appareil de contrôle de pression ainsi obtenu, entre deux tronçons immergés de canalisation d'injection ; - Injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale, Par dimensionnement, on entend la longueur totale du tube, le nombre de sections et le diamètre du ou des sections de tube. Par nature, on entend le ou les matériaux de composition de section de tube. L'appareil de contrôle de pression selon l'invention est positionné de préférence en aval du collecteur (manifold), avant la duse. Au cours de l'exploitation, la perte de charge nécessaire peut varier. Dans le procédé selon l'invention le contrôle de pression peut s'effectuer grâce à l'ouverture ou la fermeture de la duse commandée à distance de la plateforme ou du bateau FPSO. Il peut également être fait en allongeant ou en réduisant la longueur du tube par l'ajout ou le retrait de section de tube, grâce à l'intervention de plongeurs ou de robots sous-marin. Cette manipulation est d'autant plus facile que la ou les sections de tube sont flexibles et que des raccords rapides sont utilisés. Plus précisément, le contrôle de pression apporté par la duse est compris entre 0 et 10 bars, de préférence entre 1 et 5 bars. L'homme de l'art pourra faire des adaptations de l'appareil et du procédé pour chaque cas particulier. L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples suivants, à l'appui des figures annexées. La figue 1 est une courbe représentant pour une solution polymérique déterminée, la perte de charge en fonction de la vitesse d'écoulement, dans des tubes de 107 mètres de longueur et de diamètre variable (d'un demi à deux pouces, de 1,27 à 5,08 cm). La solution polymérique contient 1000 ppm d'un copolymère acrylamide/acrylate de sodium (70/30 % molaire) présentant un poids moléculaire d'environ 20 millions de g/mol dissous dans une saumure contenant 5WI de NaC1, 0.113 g/1 de MgSO4, et 0.096 g/1 de CaCl2. La figure 2 est une courbe représentant la perte de charge en fonction du débit avec la même solution polymérique et les mêmes tubes que dans la figure 1 La figure 3 est une courbe représentant la dégradation du polymère en pourcent en fonction de la vitesse d'écoulement, avec la même solution polymérique et les mêmes 20 tubes que dans la figure 1 et une perte de charge déterminée pour ce même polymère. La dégradation du polymère est directement proportionnelle à la perte de viscosité de la solution polymérique. La figure 4 représente une vue schématique d'une unité flottante de production, de 25 stockage et de déchargement (FPSO , Floating production storage and offloading) et l'architecture sous-marine d'injection. La figure 5 représente une vue schématique de l'appareil de contrôle de pression connecté en série à la canalisation principale, en aval du collecteur (manifold). L'appareil est 30 constitué d'un réducteur de pression linéaire de 3 sections de tube, et d'une duse, le tout connecté par des raccords rapides. Exemple d'installation La figure 4 représente une installation classique de récupération secondaire de pétrole offshore. Elle comprend une unité flottante de production, de stockage et de déchargement (FPSO : Floating production storage and offloading). La plateforme est équipée de tubes (riser) (2) dans lesquels est injectée la solution de polymère au moyen de la pompe d'injection principale. Chaque tube est destiné à alimenter un collecteur ou répartiteur (3) d'où repartent autant de tubes (4) que de puits (5). Le diamètre du tube alimentant le collecteur est le même que celui des tubes (4) sortant du collecteur. En pratique, le diamètre est de l'ordre de 10 pouces (25,4 cm). Dans cette installation de l'art antérieur, la diminution de pression au niveau de chaque puits (5) est obtenue par la mise en place d'une duse (6), sur chaque canalisation (4). Comme expliqué précédemment, ces duses, en diminuant la pression ne présentent pas de problème pour des injections d'eau uniquement mais dégradent le polymère lorsqu'une solution aqueuse polymérique est injectée. Pour pallier à cet inconvénient et comme représenté sur la figure 5, l'invention consiste à associer à chaque duse, un réducteur de pression. Les caractéristiques du réducteur de pression sont calculées pour que la cluse n'intervienne plus qu'à hauteur de 0 à 10 bars dans la diminution de la pression d'injection. Le dispositif de l'invention est positionné en aval du collecteur (3) sur chacun des tubes (4) issus de la canalisation principale (2). Sur la figure 5, l'appareil de contrôle de l'invention (10) est constitué du réducteur de pression (7) et de la cluse (6). Le réducteur de pression (7) est lui-même constitué par exemple de 3 sections de tube (8) raccordées les unes aux autres ainsi qu'à la duse (6) et à la canalisation principale (4), par le biais de raccords rapides (9). Le diamètre interne des tubes (7) est inférieur à celui des tubes (4), en pratique inférieur à 4 pouces (10,16 cm). Les duses (6) sont connectées, de nouveau par un raccord rapide (9) à la canalisation principale d'injection (4) située en aval et alimentant les puits (5)en solution de polYmère. Le diamètre interne du tube (4) entre la duse (6) et le puits (5) est identique à celui des 30 autres portions de canalisation principale. Exemple pratique de mise en oeuvre Sur un champ pétrolier offshore, une solution de polymère à 2000 ppm de concentration 35 est produite à partir d'une émulsion de copolymère acrylatnide / acrylate de soude 70/30 de poids moléculaire 20 millions et injectée dans un ensemble de puits par l'intermédiaire de risers, de manifolds et de duses de régulation de pression. La viscosité est de 200 centipoises. La pression de la pompe d'injection est de 115 bars et nous avons choisi une ligne où la pression d'injection en tête de puits est de 77 bars. La duse et les pertes négligeables de charge en ligne réduisent la pression de 38 bars. Le débit mesuré sur ce puits est d'environ 91 m3/11 et la pression / volume est pratiquement stabilisée depuis plus d'un an. Des essais au sol sont effectués pour sélectionner la dimension du des sections du tube du réducteur de pression linéaire nécessaire en dissolvant 2000 ppm de polymère dans une 10 saumure de composition. NaCl 15,4 g/I NaHCO3 0,62 g/I CaC12.2H20 2,54 g/1 MgC12.61-120 2,54 g/1 Les essais sont effectués sur divers tuyaux flexibles et nous avons choisi un tube en caoutchouc de type 4SP-32 de diamètre intérieur 2 pouces (5,08 cm). La pression de travail pour simuler la pression d'injection est de 165 bars, avec une pression de rupture 20 de 660 bars (marque Phoenix-Beattie). La vitesse du liquide dans le tube est de 12,5 mètres par seconde et la perte de charge sur 100 mètres (longueur de test) est de 8,3 bars. Cela est tout à fait acceptable par rapport à l'objectif puisque inférieure à une perte de charge de 1 bar par tranche de 10 mètres. 25 11a été choisi d'installer à l'avant de la duse une longueur de totale de tube du réducteur de pression linéaire de 450 mètres avec trois sections de tube de longueur 50 mètres et I section de tube de 300 mètres, le tout assemblé par des raccords rapides. 30 Lorsque la solution de polymère est injectée, la pression initiale sur le puits baisse vers 77 bars, dû à l'effet de drag réduction du polymère pour remonter vers 79 bars. Le débit est de 93 m3ftteure avec une duse totalement ouverte, mais avec un potentiel de fermeture pour augmenter de 10 bars la perte de charge dans la duse avec peu de dégradation du polymère. La duse est légèrement fermée pour engendrer une perte de charge de 2 bars ce 35 qui permet d'atteindre l'objectif de 77 bars en pression d'injection. Si la perte de charge nécessaire variait faiblement il serait facile de commander à distance l'ouverture ou la fermeture de la duse. 15 Si la perte de charge variait de manière plus importante par rapport à la perte de charge nécessaire, il serait alors possible d'enlever ou de rajouter une ou deux sections courtes de 50 mètres qui correspondent chacune à une perte de charge d'environ 4 bars. Les essais au sol ont indiqué une dégradation sur 100 mètres de LPR de 1,2%, c'est-à-dire pratiquement nul étant donnée la précision de la mesure. Le but de l'installation est donc atteint. REVENDICATIONS1/ Appareil de contrôle de pression d'injection (10) d'une solution aqueuse polymérique dans un puit de pétrole sous-marins, ledit appareil étant apte à être immergé et constitué : d'un réducteur de pression (7) sous la forme d'au moins un tube (8) destiné à être inséré ente deux tronçons de canalisation principale d'injection, le réducteur de pression (7) présentant un diamètre inférieur à celui de la canalisation principale (2) et étant apte à absorber la majorité de la perte de charge ; d'une duse (6) positionnée immédiatement en amont ou en aval du réducteur de pression (7), ladite duse (6) étant apte à être réglée pour permettre un contrôle de pression compris entre 0 et 10 bars. 2/ Appareil (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube (8) du réducteur de pression comprend au moins une section de tube flexible. 3/ Appareil (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réducteur de pression (7) comprend une ou plusieurs sections de tube (8) flexible raccordées bout à bout entre elles et à la duse (6) par des raccords rapides permettant une fixation facile. 4/ Appareil (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le ou les tubes flexibles (8) sont constitués d'un composite caoutchouc-textile ou métalloplastique apte à résister à une pression au moins égale à la pression de la pompe d'injection. 5/ Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réducteur 25 de pression (7) comprend une ou plusieurs sections de tube (8) rigide métallique raccordées bout à bout entre elles et à la duse (6) directement ou par l'intermédiaire de tubes flexibles (8). 6/ Appareil (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou les tubes (8) 30 métalliques sont enroulés en spirale. 7/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du tube (7) interne est compris entre V2 pouces (1,27 cm) et 4 pouces (10,16 cm). 35 8/ Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur de tube (8) est comprise entre 10 et 1000 mètres.9/ Procédé pour réduire la pression d'injection de polymère en fonction de la pression du puits mettant en oeuvre l'appareil (10) objet de l'une des revendications 1 à 8 dans un procédé de récupération assistée du pétrole en offshore. 10/ Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : Calculer la réduction de pression nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ; Déterminer par des tests au sol, le dimensionnement et la nature du tube constitutif du réducteur de pression (7) de telle manière que la perte de charge soit égale à la réduction de pression nécessaire moins celle apportée par la duse, et ce, dans les conditions d'injection de la solution aqueuse polymérique sur champs ; Immerger puis connecter le réducteur de pression (7) avec la duse et insérer l'appareil de contrôle de pression (10) ainsi obtenu, entre deux tronçons immergés de canalisation d'injection ; Injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale (2), 11/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le contrôle de pression apporté par la duse (6) est compris entre 0 et 10 bars. 12/ Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que on ajoute une section de tube supplémentaire ou on en retire une par l'intervention de plongeurs ou de robots sous-marin, pour modifier la perte de charge apportée par le réducteur de pression (7) linéaire.25