FR 2628142 A1 19890908 FR 8802631 A 19880302 ( RÉPUBLIQUE FRAN AISE Q N de publication: 2 628 142 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE IA PROPRIETÉ INDUSTRIELLE DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE N d'enregistrement national 88 02631 PARIS ( Int CI4: E 21 B 43/36. @ DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1 Date de dépôt: 2 mars 1988. Q Demandeur(s): Société anonyme dite: SOCIETE NA- TIONALE ELF AQUITAINE PRODUCTION. - FR. ) Priorité ( Inventeur(s): Jean-Jacques Houot. Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n 36 du 8 septembre 1989. (i Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rn Titulaire(s) Mandataire(s): Jean Bruneau, Société Nationale Elf Aquitaine, Département Propriété Industrielle. Dispositif de séparation huile gaz en tête d'un puits sous-marin. (@ Exploitation pétrolière sur les sites sous-marins.. L'installation associe à au moins une tête de puits de _ production un séparateur huile-gaz de grand allongement verti- cal et dont la majeure partie peut être logée dans un puits foré et cuvelé proche du puits d'exploitation, ce qui permet de grandes variations du niveau huile-gaz entre les points haut et bas du contrôle tout en assurant une submergence suffisante, de la pompe dont le séparateur est équipé. Ce dispositif permet l'évacuation distincte du gaz d'une part et d'une huile suffisamment dégazée d'autre part depuis un site périphérique jisqu'à une station centrale de production. eau un N I l- - -',..- -.'--,- - - - - -,.'--.---.-'--. - -, La présente invention concerne une installation sous-marine pour la production d'hydrocarbures sur un site dont l'importance n'autorise pas la construction d'installations de traitements et d'évacuations des hydrocarbures, et pour lequel on doit, de ce fait, organiser l'évacuation de l'effluent brut par une conduite sous-marine vers une installation centrale qui assure de telles fonctions. Sur les gisements d'hydrocarbures sous-marins, même si leur étendue est considérable, il est usuel d'assurer le drainage de l'essentiel des réserves en place par une installation centrale constitué en général par une ou plusieurs plateformes ou par une barge ancrée. Les parties périphériques de ces gisements, notamment dans les zones périclinales sont alors considérées comme d'exploitation marginale; il en est de même pour les petits gisements qui souvent se situent dans la proximité d'un gisement exploitable. Pour ces parties périphériques marginales, comme pour les petits gisements voisins, l'acheminement des effluents jusqu'à l'installation centrale s'impose donc. Toutefois, si la distance est importante, plusieurs kilomètres, si le pourcentage de gaz associé à l'huile (en anglais "Gas Oil Ratio" ou GOR) est important, et l'on sait qu'il peut varier au cours de la production, deux difficultés majeures se manifesteront: - la perte de charge en régime diphasique dans l'ensemble de la canalisation peut devenir excessive eu égard à la pression éruptive, - si la production en régime continu reste possible, lorsque ce dernier est établi, le redémarrage du ou des puits, après un arrêt de production, peut devenir impossible en raison de la ségrégation de la phase liquide qui entraîne la formation d'une colonne de liquide dégazé d'un poids hydrostatique excessif. On peut se prémunir contre ces difficultés en augmentant la pression disponible à l'entrée de la canalisation d'évacuation par divers moyens. On peut disposer une pompe électrique en fond de puits en tenant compte des limitations techniques propres aux pompes de fond, notamment de la teneur en gaz libre limitée à l'admission, et du risque de fréquentes opérations de maintenance (en anglais "WORK OVER"). On peut aussi mettre en place un gas-lift interne du puits, moyen déjà utilisé pour l'exploitation de puits sous-marins mais qui, à grande distance d'une plateforme, tend à provoquer une augmentation des pertes de charge dans la canalisation de collecte et requiert une quantité importante de gaz en circulation en raison de la pression moyenne élevée nécessaire. On peut encore installer auprès de la tête de puits une pompe diphasique d'expédition. Cette formule est pénalisée par le faible rendement des pompes diphasiques quand le GOR s'accroit, ce qui impose des dimensions et des puissances importantes. L'augmentation de la pression disponible à la tête de puits se heurtant à de sérieuses difficultés dès que le GOR devient important, il a été proposé d'éviter que se posent ces problèmes en séparant l'évacuation de la phase gazeuse de celle de la phase liquide en plaçant auprès de la tête de puits un séparateur de production "marinisé". Or ces appareils se sont révélés peu adaptables au service sous-marin. En effet, les séparateurs terrestres sont des équipements dont les dimensions ont été optimisées. Ils exigent de maintenir le niveau de l'interface huile-gaz dans une plage étroite de l'ordre d'une dizaine de centimètres et le maintien de leur bonne efficacité de séparation appelle des réglages fréquents. Enfin, avec de tels séparateurs, la hauteur d'huile est seulement de l'ordre du mètre, ce qui ne facilite guère la reprise de l'huile par une pompe de fond d'un modèle usuel (pompes de fond de puits par exemple). 26?8142 Ainsi, de nombreux modèles de séparateurs terrestres marinisés ont été proposés et n'ont pas été retenus par la pratique, citons: - US 3.875.998 (Charpentier) concerne un séparateur horizontal disposé dans la partie inférieure d'une colonne supportée par une articulation o les difficultés de réglage liées à la faible hauteur de la cuve du séparateur étaient accrus par le caractère oscillant de l'installation. - BF 2.026. 277 (Ocean Systems) comporte des séparateurs horizontaux marinisés posés directement sur le sol sous-marin, tout comme dans le brevet suivant. - BF 1.591.798 (Orieux) o le séparateur est torique, ce qui constituerait un avantage pour le raccordement avec les diverses canalisations d'arrivée et de sortie, mais laisse subsister les mêmes inconvénients liés à l'étroitesse de la plage de réglage. La présente invention a pour objet de pallier ces difficultés, et pour cela elle propose d'installer proche du puits d'exploitation un séparateur de grand allongement vertical, tel que la hauteur du liquide puisse varier de plusieurs décimètres, voire de plusieurs mètres entre les points haut et bas de fonctionnement et que, malgré ces variations de niveau, une submergence suffisante soit toujours appliquée sur une pompe destinée à évacuer ledit liquide. Un séparateur à grand allongement vertical peut être posé sur le sol sous-marin et, s'il est isolé et dépasse de façon notable les autres équipements, il peut constituer une gêne pour les manutentions aux abords du site et même pour la navigation. On peut alors l'annexer à une tour supportant une plateforme ou même l'intégrer à cette tour, on peut aussi le disposer dans la partie inférieure d'une colonne oscillante supportée par une articulation, si l'on dispose d'une telle installation, telle que décrite dans US 3,875,998 (Charpentier). Si le puits de production est isolé, tel qu'un puits économiquement marginal se trouve être, une caractéristique de l'invention sera alors de loger ledit séparateur dans un puits foré dans le sol sous-marin proche dudit puits d'exploitation. De façon préférentielle, le puits foré et muni d'un cuvelage doit offrir la possibilité d'y loger une partie du séparateur suffisamment importante pour que la partie restant au-dessus du sol soit d'une hauteur n'excédant pas la hauteur de la tête de puits voisine, c'est donc la majeure partie du séparateur qui sera logée dans le puits. Suivant un mode de réalisation, le séparateur est constitué d'une chambre cylindrique fermée à son extrémité inférieure et dont l'extrémité supérieure est fixée au cuvelage du puits, foré dans le sol sous-marin, proche du puits d'exploitation et d'un ensemble de moyens aptes. fermer l'extrémité supérieure de la chambre et à travers cette fermeture de faire pénétrer dans cette chambre un ajutage d'adduction de l'effluent du puits d'exploitation, un ajutage pour l'évacuation du gaz, un conduit reliant une pompe, disposée à la partie inférieure de la chambre, munie de moyens d'alimentation en énergie et de moyens de liaison avec un dispositif de contrôle du niveau huile-gaz dans la chambre, à un ajutage d'évacuation de l'huile, les différents moyens constituant cet ensemble étant aptes à être séparés de la chambre et remontés à la surface ensemble ou séparément pour en assurer l'entretien. Suivant un autre mode de réalisation, le séparateur est constitué d'une chambre cylindrique fermée à ses extrémités inférieure et supérieure, fixée de façon amovible sur le cuvelage d'un puits, foré dans le sol sousmarin proche du puits d'exploitation, et d'un ensemble de moyens aptes à faire pénétrer dans la partie supérieure de la chambre un ajutage d'adduction de l'effluent du puits d'exploitation, un ajutage pour l'évacuation du gaz, un conduit reliant une pompe placée à la partie inférieure de la chambre et munie de moyens d'alimentation en énergie et de moyens de liaison avec un dispositif de contrôle du niveau huile-gaz dans la chambre, à un ajutage d'évacuation de l'huile, la chambre cylindrique et lesdits moyens qu'elle contient constituant un ensemble globalement relevable è la surface. Si l'on dispose d'une pompe diphasique pour l'évacuation de l'huile du séparateur, on pourra simplifier le système de régulation en remplaçant le contrôle du niveau huile-gaz dans la chambre par un contrôle direct du débit du liquide arrivant à l'installation centrale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description d'un mode préféré de l'invention donné à titre indicatif et non limitatif à l'aide des figures suivantes: - Fig. 1: Schéma général de l'installation Fig. 2: Séparateur démontable au fond - Fig. 3: Séparateur non démontable au fond. En se référant à la figure 1, donnant un schéma de principe d'une installation selon l'invention, on trouve une tête de puits (1) sousmarine proche de laquelle est installé un séparateur (2) et, à une distance pouvant être importante, une plateforme (3) supportant des installations assurant le traitement et l'évacuation des hydrocarbures, non figurées, ainsi que des moyens de contrôle et de commande pour la tête de puits (4) et pour le séparateur (5). Entre la tête de puits (1), le séparateur (2) et les moyens de contrôle et de commande (4) et (5), des câbles de transmission électrique sont disposés et représentés schématiquement par la ligne (6). La tête de puits (1) est reliée au séparateur (2) par une conduite (7) pour le transfert de l'effluent du puits. Le séparateur (2) est relié aux installations de traitement, de la plateforme (3) au moyen de deux conduites, à savoir, une conduite (8) pour la phase liquide et une conduite (.9) pour la phase gazeuse. Le séparateur (2) de type vertical est logé dans un puits (10) foré à peu de distance, quelques mètres, de la tête de puits d'exploitation (1). Le puits (10), après pose du cuvelage (11) et d'un bouchon de fond (12) et cimentation, délimite un espace cylindrique vertical dans lequel est installé le séparateur (2). Le séparateur (2) est schématiquement constitué par une chambre cylindrique délimitée par un corps (13) vertical fermé à ses extrémités supérieure et inférieure. Cette chambre est munie à sa partie supérieure de deux ajutages, l'un (14). pour l'arrivée de l'effluent de la tête. de puits (1) et l'autre (15) pour l'évacuation de la phase gazeuse par la conduite (9) vers la plateforme (3). Le séparateur (2) est, en outre, équipé d'une conduite verticale munie à sa partie inférieure d'une pompe (16) dotée d'un moteur de fond et reliée par sa partie supérieure à la conduite (8) d'évacuation de la phase liquide et d'un dispositif de contrôle de la position de l'interface liquide-gaz dans le séparateur, dispositif de contrôle constitué par des électrodes telles que (17), (18), (19), (20) réparties le long d'une tige verticale (21) et reliées par des conducteurs électriques au mécanisme de contrôle (5). Le séparateur (2) a une hauteur (H) telle que la pompe de fond (16) soit submergée d'une hauteur (S) suffisante pour que le rendement en soit optimal. Comme la hauteur du séparateur (2) au-dessus du sol sous-marin ne doit pas excéder celle de la tête de puits (1), il s'ensuit que la hauteur (h) au- dessous du sol est déterminée et que la profondeur du puitz à creuser pour y loger le séparateur est ainsi calculable. La figure 2 donne un exemple de réalisation d'un séparateur pour lequel le corps (13) vertical délimitant la chambre dans laquelle s'effectue la séparation est installé dans le cuvelage (11) d'un puits foré à cet usage, ce cuvelage supportant une plaque de base (1la) de telle facon que les différents éléments mécaniques permettant l'arrivée du fluide, le départ des deux constituants liquide et gazeux, les contrôles et les sécurités, sont posés sur le tube (13) et fixés sur celui-ci par une superposition de constituants de façon comparable à une tête de puits. L'installation comprend trois parties: 1 - Une chambre de séparation constituée par un corps (13), fermé à son extrémité inférieure, disposé à l'intérieur d'un cuvelage (11) de diamètre aussi grand que nécessaire (par ex.: jusqu'à 80 ou 100 cm) cimenté dans le sol. Le cuvelage est installé dans un puits foré à une profondeur de plusieurs dizaines de mètres, cinquante mètres suffisent généralement. Le corps (13) est rendu solidaire du cuvelage (11) par un dispositif annulaire (13a) de positionnement et d'orientation. 2 - Un module (22) analogue à une tête de puits o l'on distingue de bas en haut: - un connecteur hydraulique pétrolier (23), de diamètre approprié au diamètre du corps (13), qui assure l'ancrage du module (22) sur le corps (13), ainsi qu'un ensemble de guidage (24) sur lignes-guides (25), un bloc forgé (26) comprenant deux vannes hydrauliques (27 et 28) télécontrôlées sur l'entrée (14) du fluide diphasique (27) et la sortie (15) du gaz de séparation (28), - un dispositif (29) qui, en exploitation, réalise une étanchéité annulaire autour du tubing de refoulement de l'huile. Cet équipement est muni de moyens de contrôle hydrauliques non figurés, - une entretoise avec une vanne hydraulique télécontr8lée assurant l'évacuation de l'huile (30), - un mandrin (31) permettant l'ancrage d'un connecteur hydraulique. 26 2 8142 3 - Un module, tube de pompage (32) et chapeau d'obturation (33) incluant tous les équipements sensibles du séparateur, à savoir: - une pompe immergée (16), - un câble (34) d'alimentation en énergie de la pompe (16), - des équipements de régulation du séparateur pouvant être constitués par un détecteur de niveau tel que schématisé en (21) de la figure 1 ou un détecteur de pression, ou les deux concurremment, - un système de télécontrôle (35), - un conduit (36) de refoulement de la pompe immergée (16), - un ensemble de guidage (37) sur lignes-guides, - un chapeau de protection (38) avec un connecteur 13 5/8" coiffant le module. Les arrivées et sorties d'effluents liquides ou gazeux (27, 28, 30) seront équipées de moyens de connexion manuels ou automatiques non figurés avec la tête de puits et les canalisations d'évacuation. Cet ensemble de séparation présente un aspect semblable à celui d'une tête de production sous-marine. Les manutentions pourront s'effectuer en utilisant les moyens habituels et connus que sont les outils de manoeuvre, câbles, train de tige... La mise en place, comme le relevage pour vérification et entretien, peut être effectuée en un seul bloc à l'aide des lignes-guides (25) ou en deux parties à l'aide successivement des lignes-guides (25) et de l'ensemble de guidage (37). La figure 3 représente un ensemble de séparation conçu pour être mis en place d'un seul bloc dans un puits qui a été foré, tubé et cimenté dans cette perspective. Cet ensemble pourra être relevé d'un seul bloc après déconnexion des différents ajutages d'arrivée et de sortie de fluides et des câbles d'arrivée d'énergie et de communication avec les moyens de contrôle. Le corps du séparateur (2) est constitué par une chambre cylindrique délimitée par un corps tubulaire (13) vertical fermé à ses extrémités supérieure et inférieure. Le corps du séparateur (2) est constitué de plusieurs éléments dessinés de façon à faire face aux contraintes de mise en place en usine des équipements internes. L'assemblage de ces éléments par des moyens connus de la technique, sur la figure, un assemblage par collerettes et boulons est schématisé. On trouve comme équipements internes ceux qui ont été schématisés sur la figure 1 et décrits à l'aide de la figure 2, notamment: - une pompe immergée (16) à l'extrémité inférieure du conduit de refoulement (36) laquelle est prolongée à l'extérieur du séparateur (2) par la conduite (8) non représentée, - un câble (34) d'alimentation en énergie de la pompe (16), - des équipements de régulation (21) du séparateur reliés à un système de télécontrôle (35) non figuré par un câblage (6), - une arrivée (14) de l'effluent du puits (1), - une sortie (15) de la phase gazeuse, - un ensemble de guidage (24) sur lignes-guides (25) pour la mise en place et le retrait de l'ensemble de séparation (2). Entre le tube (13) et le cuvelage (11) sont disposés diverses pièces (13a) pour la pose et l'orientation du dispositif de séparation (2) à l'intérieur du cuvelage (11). L'installation au fond peut être contr8lée par des plongeurs, elle peut aussi être entièrement télécommandée de la surface à l'aide de moyens connus de la technique et usuellement employés. Le séparateur est relié à la tête de puits et aux canalisations d'évacuation par des moyens de connexion manuels ou automatiques non figurés. Dans les différents modes de réalisation, la hauteur de liquide dans la partie inférieure de la chambre procure l'avantage recherché d'un fonctionnement le plus continu que possible de la pompe, elle permet aussi une remontée des bulles de gaz au travers de la colonne liquide conduisant à admettre à l'aspiration de la pompe un liquide débarrassé au mieux de gaz libre sous la forme de bulles. Les conditions thermodynamiques et mécaniques dans lesquelles cela se réalise ne sont pas nécessairement celles qui permettent une séparation optimale des deux phases liquide et gazeuse. Il s'ensuit que le gaz séparé entrainera vraisemblablement des condensats. Une séparation plus poussée sera effectuée éventuellement à la station centrale de production sur le sol sous-marin ou en surface. Sans sortir du cadre de l'invention, il peut être envisagé d'améliorer la séparation sur le site même du puits de production en disposant dans la partie haute du séparateur divers éléments de plaques d'impact ou de chemises à effet de séparation de flux ou de centrifugation (39 sur la figure 3) tels que ces dispositifs sont connus de la technique. La mise en place de ces éléments est envisageable non seulement pour l'amélioration de la séparation globale mais encore pour absorber plus facilement les à-coups de pression dus à l'écoulement aléatoire des bouchons de gaz fréquemment observé. 262814E REVENDICATIONS 1 - Installation sous-marine pour la production d'hydrocarbures associant un séparateur huile-gaz à au moins une tête de puits de production caractérisée en ce que le séparateur présente un grand allongement vertical. 2 - Installation selon la revendication 1 dans laquelle le séparateur a un allongement vertical tel que la hauteur de liquide puisse varier de plusieurs décimètres è plusieurs mètres entre le point haut et le point bas de contrôle et que, malgré ces variations de niveau, une submergence suffisante soit appliquée sur une pompe destinée à évacuer ledit liquide. 3 - Installation selon la revendication 2 dans laquelle le séparateur de grand allongement vertical est partiellement logé dans un puits foré dans le sol sous-marin, proche du puits d'exploitation et muni d'un cuvelage. 4 - Installation selon la revendication 2, dans laquelle le séparateur de grand allongement vertical est partiellement logé dans un puits foré dans le sol sous-marin, proche du puits en exploitation, de telle façon que la partie du séparateur restant au-dessus du sol a une hauteur n'excédant pas la hauteur de la tête de puits. - Installation selon la revendication 3 dans laquelle le séparateur est constitué d'une chambre cylindrique fermée à son extrémité inférieure et dont l'extrémité supérieure est fixée au cuvelage du puits, foré dans le sol sous-marin, proche du puits d'exploitation et d'un ensemble de moyens aptes à fermer l'extrémité supérieure de la chambre et à travers cette fermeture de faire pénétrer dans cette chambre un ajutage d'adduction de l'effluent du puits d'exploitation, un ajutage pour l'évacuation du gaz, un conduit reliant une pompe placée à la partie inférieure de la chambre, munie de moyens d'alimentation en énergie et de moyens de liaison avec un dispositif de contrôle du niveau huile gaz dans la chambre, à un ajutage d'évacuation de l'huile, les différents moyens constituant cet ensemble étant aptes à être séparés de la chambre et remontés à la surface ensemble ou séparément. 6 - Installation selon la revendication 3 dans laquelle le séparateur est constitué d'une chambre cylindrique fermée à ses extrémités inférieure et supérieure, fixée de façon amovible sur le cuvelage d'un puits, foré dans le sol sous-marin proche du puits d'exploitation, et d'un ensemble de moyens aptes à faire pénétrer dans la partie supérieure de la chambre un ajutage d'adduction de l'effluent du puits d'exploitation, un ajutage pour l'évacuation du gaz, un conduit reliant une pompe placée à la partie inférieure de la chambre et munie de moyens d'alimentation en énergie et de moyens de liaison avec un dispositif de contrôle du niveau huile-gaz dans la chambre, à un ajutage d'évacuation de l'huile, la chambre cylindrique et lesdits moyens qu'elle contient constituant un ensemble globalement relevable à la surface. 7 - Installation selon la revendication 1 dans laquelle le séparateur huile-gaz est installé dans la partie inférieure d'une structure métallique fixe. 8 - Installation selon la revendication 1 dans laquelle le séparateur huile-gaz est installé dans la partie inférieure d'une structure supportée par une articulation. 9 - Installation selon la revendication 2 dans laquelle la pompe destinée à évacuer le liquide est une pompe diphasique. Ail.os:"e. : o. t.!. s e e.D_ *-';!*i 1t.I L À 2 -1aI Iu;. o1." _-T[)',: g '5 %iI' i l I L t-, * 2t /3 38 j-j 137 2/33 22so, 2 1H!rn u'- 14e 939 l de- --lll(8) -2 5 il o' 24 2 1 t (6; g_ (