EP0704599B1 - Installation pour puits pétrolier munie d'une électropompe en fond de puits - Google Patents
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Description
La présente invention se rapporte à une installation
pour puits pétrolier munie d'une électropompe en fond de
puits.
Dans certains puits pétroliers, l'écoulement naturel
des hydrocarbures du fond à la surface s'avère insuffisant
pour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceci
est dû soit à la viscosité importante des hydrocarbures,
soit à une trop faible pression naturelle au fond du puits
ou encore à une combinaison des deux. Afin de permettre la
mise en production du puits à une échelle commerciale, on
peut utiliser un système d'assistance ou système
d'activation du puits. Par exemple, on peut disposer une
pompe, à l'extrémité inférieure d'un tube de production
situé dans le puits. Cette pompe peut être mue par un moteur
électrique immergé au fond du puits qui est alimenté par un
câble disposé dans l'espace annulaire entre le tubage et le
cuvelage du puits.
Quand on fait un bilan des sources de pannes sur les
pompes électriques, ou électropompes, immergées de fond de
puits qui nécessitent le retrait d'un tubage, on trouve dans
l'ordre :
- les courts-circuits électriques (environ 80%),
- l'usure mécanique,
- la rupture mécanique.
Certes, certains courts-circuits surviennent dès le
premier démarrage et résultent d'une faute lors de
l'installation qui demande beaucoup de soin et de savoir-faire.
Mais la plupart des courts-circuits ont lieu en
cours d'utilisation et résultent d'une dégradation
progressive normale des barrières d'isolation électrique,
puisque les pompes sont immergées dans l'effluent extrait de
la roche pétrolifère.
La gamme de puissance et la profondeur
d'installation requièrent des voltages élevés, pouvant
atteindre 1000 à 3000 volts pour minimiser les pertes dans
les câbles. Mais ces tensions élevées rendent les
installations vulnérables.
L'altération des isolants solides résulte de
phénomènes facilement compréhensibles :
- L'exploitation du puits engendre nécessairement des variations de pression et de température, dus aux arrêts et aux changements de régimes, dans les zones où se trouvent les équipements de pompage, créant des cycles de sollicitations mécaniques dans les matériaux constitutifs.
- Les variations de pression provoquent aussi des migrations répétées de gaz au sein des isolants, qui tendent à dégrader leur structure et leur performance.
- La présence d'hydrocarbures, d'aromatiques, de gaz acides et autres provoque des attaques chimiques diverses sur les différentes barrières d'isolation mécanique ou électrique, contribuant à leur dégradation dans le temps.
- Les variations de courant électrique (notamment les arrêts et démarrages du moteur) traversant les conducteurs électriques engendrent par effet Joule des variations de température importantes qui accélèrent le vieillissement des isolants électriques.
- Les voltages élevés évoqués ci-dessus génèrent des champs de sollicitations importants sur tous les isolants.
Le deuxième facteur de coût d'utilisation des
électropompes immergées de fond de puits est que pour
réparer une panne, il faut remonter tout le câble électrique
et le tubage auquel l'unité de fond est accrochée. En effet,
les électropompes de fond de puits actuelles constituent des
blocs tubulaires compacts assemblés en surface avant leur
descente dans le puits. Ces sytèmes doivent, par conséquent,
être remontés en totalité avec le tubage en cas de
maintenance. Cette intervention nécessite un appareil de
service onéreux à mobiliser, notamment sur des sites
difficiles d'accès (isolé, en mer, sous-marin, urbain). Le
délai d'attente et la durée d'intervention génèrent aussi
des manques à produire importants. A tel point que ces
systèmes ne peuvent s'envisager dans les cas les plus
difficiles.
L'ensemble de ces facteurs affecte dramatiquement le
coût de ce mode de pompage et interdisent même
économiquement le développement de certains champs
pétroliers marginaux.
Une installation de pompage aux tiges consiste en
une pompe de fond volumétrique installée dans le tubage dont
le piston est animé en translation depuis la surface par
l'intermédiaire de tiges en acier ou en fibres de verre. En
surface, le mouvement est donné au train de tige par une
structure à balancier animé par un moteur électrique rotatif
ou bien un vérin hydraulique.
Le poids propre, l'inertie, le frottement et la
fatigue mécanique des tiges limitent la capacité et la
performance de pompage de ces systèmes. Ils sont peu adaptés
aux puits éruptifs sur lesquels des organes de sécurité de
fond sont requis, aux puits profonds ou aux débits élevés
(supérieures à 200 m3/j de liquide).
Le concept monobloc des électropompes de fond
actuelles est intéressant dans le cas de puits où la
manoeuvre de manutention est facile et peu onéreuse, cas des
puits d'eau potable, des puits non éruptifs à terre ou peu
profonds. Il n'est pas adapté aux puits pétroliers actuels
et à venir. Ceux-ci sont de plus en plus profonds,
inaccessibles, dangereux (car souvent éruptifs), et dotés
d'équipements complexes et délicats à mettre en place. Il
devient souhaitable de concentrer les faiblesses
incontournables comme l'usure mécanique sur un module
indépendant qui serait plus léger et moins coûteux à
remonter et remplacer, avec un câble ou un treuil par
exemple.
Etant donné que la majorité des causes de panne
provient du fait que la partie électrique est immergée dans
un milieu hostile, il serait souhaitable de regrouper
l'ensemble de la partie électrique dans une enceinte à
l'abri de toute agression susceptible d'entraíner des pannes
électriques. Ne resteraient en contact avec les effluents
que les organes "mécaniques" ne pouvant être la cause ou la
proie de courts-circuits électriques, et pouvant être
indépendamment remontés et remplacés dans un but de
maintenance, suite à une usure mécanique, ou de flexibilité,
pour s'adapter par exemple à une évolution des effluents du
puits ou des conditions d'exploitation.
Le document US-A-4,538,970 décrit une installation
pour puits pétrolier correspondant au préambule de la
présente revendication 1.
La présente invention a pour objet une installation pour puits pétrolier qui permet de séparer la partie électrique des parties mécaniques d'un groupe électropompe immergé dans le puits, de placer la partie électrique dans une enceinte à l'abri des agressions extérieures provenant notamment des effluents du fond de puits, et de regrouper les parties mécaniques afin de faciliter leur retrait, et de renforcer sa pérennité.
La présente invention a pour objet une installation pour puits pétrolier qui permet de séparer la partie électrique des parties mécaniques d'un groupe électropompe immergé dans le puits, de placer la partie électrique dans une enceinte à l'abri des agressions extérieures provenant notamment des effluents du fond de puits, et de regrouper les parties mécaniques afin de faciliter leur retrait, et de renforcer sa pérennité.
Pour répondre à cet objet, l'invention propose une
installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface
vers une couche de roche pétrolifère comprenant un tubage
disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers
la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de
roche pétrolifère, un cuvelage délimitant la paroi du puits,
et un joint disposé en fond de puits entre le tubage et le
cuvelage de manière à former une chambre isolée des
hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le
puits, une pompe et un moteur électrique destiné à actionner
la pompe, le stator et le câble du moteur électrique étant
disposés dans la chambre, à l'extérieur du tubage,
caractérisée en ce que la chambre contient une substance
diélectrique.
Le moteur électrique peut être un moteur rotatif ou
linéaire.
Selon un mode de réalisation préférée, la pompe est
placée en amont du moteur électrique.
La présente invention présente l'avantage de créer
une barrière d'étanchéité infranchissable par l'effluent
entre la partie mobile centrale et les bobinages du stator.
Actuellement dynamique, cette barrière est une technologie
plus simple et plus fiable car il s'agit d'une barrière
statique de type paroi, qui n'est plus traversée par une
partie mobile (arbre ou tige) transmettant le mouvement à la
partie mobile de la pompe.
La partie mobile du moteur peut être mise en place
et retirée indépendamment de la partie fixe, et en
particulier des équipements électriques, et de plus grâce à
une intervention légère au câble, ce qui facilite la
maintenance mécanique et réduit les coûts d'exploitation.
D'autres caractéristiques et avantages de la
présente invention ressortiront à la lecture de la
description suivante, donnée à titre explicatif mais non
limitatif, faite en relation avec les dessins annexés sur
lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'une installation pour puits pétrolier selon un premier aspect de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe d'une installation pour puits pétrolier selon un deuxième aspect de l'invention ; et
- la figure 2A est une vue en coupe, prise selon la ligne A-A de la figure 2.
Sur la figure 1 est représentée, généralement en 10,
une installation pour puits pétrolier dans laquelle un puits
12 s'étend entre la surface 14 et une couche de roche
pétrolifère 16. Le puits 12 comporte un cuvelage 18
qui rend le puits étanche par rapport aux couches de roches
traversées par le puits. A l'intérieur du puits s'étend un
tubage de production 20, entre une tête de puits,
représentée schématiquement en 22, et un joint 24, plus
communément appelé "packer" qui est disposé, par exemple, à
environ 100 m au-dessus du niveau de la roche pétrolifère
16. Une chambre 26 étanche est définie entre la paroi
extérieure du tubage 20 et la paroi intérieure du cuvelage
18.
Dans l'exemple illustré, le tubage 20 comporte, à
son extrémité inférieure, un ensemble de pompage, représenté
généralement en 28 qui comprend une pompe alternative 30
destinée à être actionnée dans le sens de la flèche 32 par
un moteur électrique linéaire 34 par l'intermédiaire d'une
tige de piston 36. Le moteur électrique linéaire 34 est
alimenté à partir de la surface 14 par un câble électrique
38 disposé dans la chambre 26.
Le moteur linéaire 34 comprend un stator 40 et une
partie mobile 42 déplaçable selon l'effet du champ
magnétique généré par le stator. Selon l'invention, le
stator 40 est monté à l'extérieur du tubage 20 à l'intérieur
de la chambre 26. Le tubage 20, au moins dans la région 43
avoisinant le moteur linéaire 34, est formé de matériau
amagnétique, qui, dans un exemple préféré, est de la
céramique. La partie mobile 42 est munie, à son extrémité
supérieure d'une tête d'accrochage 44 qui permet de remonter
à la surface, par exemple au moyen d'un câble, la partie
mobile 42 ainsi que la pompe 30.
Le refroidissement du moteur est assuré par
l'effluent extrait qui traverse la partie mécanique du
moteur, soit en passant dans l'entrefer entre la partie
mobile et le stator immobile, soit au centre de la partie
mobile, alors évidée.
La chambre 26 contenant la partie électrique peut,
dans un mode de réalisation préférée, recevoir une substance
diélectrique, un liquide ou un gel, afin de renforcer encore
la pérennité de l'installation. L'utilisation d'un gel
présente aussi l'avantage d'isoler thermiquement le tubing,
qui reçoit alors toute la chaleur dissipée dans le câble 38
qui le longe et dont il sert de radiateur. Cet échauffement
assurera un meilleur rendement énergétique global de
l'installation grâce à l'échauffement des écoulements.
Comme représenté sur la figure 1, il est préférable
de placer la pompe 30 sous le moteur 34, ce qui offre des
avantages pour certains types d'effluents visqueux ou gazés
au profit des performances du puits. En effet, le fait de
placer la pompe sous le moteur réduit nettement les pertes
de charge avant l'entrée de l'effluent dans la pompe.
La lubrification entre les parties mobiles et fixes
se fait soit à sec avec des matériaux appropriés (céramique,
zirconium, téflon, carbures ou bronze), soit par un film
d'effluent mis en place par effet hydrodynamique. Un système
parallèle de lubrification pourrait aussi être mis en place.
L'installation selon l'invention évite la traversée
électrique du joint ou "packer" qui était jusqu'à présent
inévitable et constituait une source des principales pannes
électriques des systèmes utilisés jusqu'alors.
Un deuxième mode de réalisation est représenté sur
la figure 2 dans laquelle les éléments communs à
l'installation de la figure 1 portent les mêmes chiffres de
référence. Un moteur rotatif, représenté généralement en 46,
est relié à une pompe rotative de construction classique,
représentée schématiquement en 48, par une tige 50. De
manière analogue à l'installation de la figure 1, la partie
fixe du moteur rotatif 46, notamment le stator 52, est
disposée à l'extérieur du tubage 20, seule la partie mobile
se trouve à l'intérieur du tubage dans le milieu corrosif et
agressif que constituent les hydrocarbures et les effluents
du puits. La partie mobile du moteur rotatif comprend un
rotor 54 disposé autour d'un arbre 56 muni d'un passage
longitudinal 58. La section 60 du tubage 20 se trouvant
entre les bobinages 62 du stator 52 et le rotor 54, est
formée d'un matériau amagnétique de sorte à ne pas perturber
le champ magnétique qui la traverse.
L'arbre 56 est monté libre en rotation dans le
tubage 20 par l'intermédiaire de paliers supérieur 64,
central 66 et inférieur 68 à butée axiale. Les paliers 64,
66, 68 sont munis chacun d'un passage radial qui communique
avec le passage longitudinal 58 et qui assure la
lubrification des paliers. Comme dans le mode de réalisation
de la figure 1, la partie mobile du moteur comporte, à son
extrémité supérieure, une tête d'accrochage 44 permettant de
remonter à la surface la partie mobile du moteur ainsi que
la pompe 48. Cette opération s'effectue de manière classique
par câble depuis la surface.
Ainsi l'installation selon l'invention permet
d'isoler la partie électrique des moteurs des hydrocarbures
ou des effluents passant à l'intérieur du tubage 20,
hydrocarbures qui constituent un milieu corrosif. Ce type
d'installation permet de réduire considérablement le nombre
de pannes électriques tout en permettant un remplacement
facile des parties mobiles de l'installation.
Claims (6)
- Installation pour puits pétrolier s'étendant de la surface (14) vers une couche de roche pétrolifère (16) comprenant un tubage (20) disposé dans le puits et formant une voie d'écoulement vers la surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de roche pétrolifère, un cuvelage (18) délimitant la paroi du puits, et un joint (24) disposé en fond de puits entre le tubage (20) et le cuvelage (18) de manière à former une chambre (26) isolée des hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le puits, une pompe (30, 48) et un moteur électrique (34, 46) destiné à actionner la pompe, le stator (40, 52) et le câble du moteur électrique (38) étant disposés dans la chambre (26), à l'extérieur du tubage (20), caractérisée en ce que la chambre (26) contient une substance diélectrique.
- Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le tubage (20) est formé de matériau amagnétique sur au moins la longueur où le tubage traverse le moteur électrique (34, 46).
- Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le moteur électrique est du type linéaire (34).
- Installation selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le moteur électrique est du type rotatif (46).
- Installation selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la pompe (30, 48) est disposée en amont du moteur électrique (34, 46).
- Installation selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que la partie mobile du moteur électrique (34, 46) comporte une tête d'accrochage (44) destinée à permettre de remonter à la surface ladite partie mobile et la pompe (30, 48).
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