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CA 02239073 1998-06-08
I
SYSTEME DE POMPAGE VOLUMETRIQUE ALTERNATIF HYDRAULIQUE
La présente invention concerne un système de pompage
hydrauli~ue permettant notamment de pomper des fluides à
faible pression.
Elle trouve plus particulièrement son application pour
le pompage de fluides pétroliers en fond de puits.
Différentes méthodés et dispositifs sont utilisés dans
le domaine de la production d'hydrocarbures pour le pompage
des fluides à basse pression.
Le pompage hydraulique classique par pompes hydrauliques
immergées à jet ou à pistons nécessite, par exemple :
~ soit de remonter le li~uide moteur mélangé avec la
production, par l'espace annulaire situé entre le casing et
le tubing, ou par le tubing central, selon le mode de
circulation hydrauli~ue choisie. Le fluide moteur est, par
exemple, de l'eau de gisement ou un brut dégazé et traité,
incorporant éventuellement des additifs et/ou des solvants
évitant des problèmes de dépôt, d'émulsion ou de corrosion.
L~un des inconvénients de cette méthode est gue le mélange
du li~uide moteur et du fluide de production peut conduire
à une pollution mutuelle de ces deux fluides. Cette option
réclame une installation de traitement volumineuse et
coûteuse en surface pour filtrer et recycler le fluide
moteur ;
~ soit d'utiliser une complétion avec un tubing
supplémentaire destiné à remonter le fluide moteur détendu,
qui est une option coûteuse et complexe au niveau de sa
réalisation.
L'idée de la présente invention consiste à propulser et
à récupérer le fluide moteur par une même canalisation, en
alternant les phases d'injection et de retrait du fluide
moteur selon des cycles réguliers. En utilisant deux liaisons
hydrauli~ues fond/surface distincts pour le fluide moteur et
le fluide pompé, on évite le mélange du fluide moteur et du
fluide de la production, lors de l'opération de pompage.
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Pour permettre la réalisation de la phase d'aspiration
de la pompe de fond, on abaisse la pression générée au fond
par le ~luide moteur, de sorte qu'elle devienne inférieure à
la pression du puits au droit de l'aspiration de la pompe.
Différentes méthodes ont été décrites dans l'art
antérieur pour obtenir cette baisse de pression.
Une première solution décrite par exemple dans les
brevets US-2.519.679, US-3.941.510 ou US-4.405.891, consiste
à utiliser un fluide moteur léger, tel ~u'un liquide ou un
gaz.
Toutefois, l'emploi de li~uides à faible densité
(propane ou butane liquéfié, alcool.. ) ne permet pas
d~obtenir un gain de pression suffisant pour les applications
classi~ues. L'utilisation du gaz (gaz naturel ou azote) a
pour inconvénient de nécessiter un travail de compression
important lors de chaque cycle, procurant un rendement
énergéti~ue très faible et une cadence des cycles très lente.
Une seconde solution, mentionnée par exemple dans les
brevets US-2.180.366, US-3.420.183 et US-4.616.974, consiste
à assister la phase d'aspiration de la pompe, en faisant
travailler alternativement la colonne de fluide moteur et la
colonne de fluide pompé supposé monophasi~ue liquide. Cette
solution fait appel à une installation compliquée au fond et
en sur~ace, comportant un ensemble de clapets, de pistons et
de cylindres de différentes sections. Cette techni~ue
permettant d~utiliser un fluide moteur quelcon~ue, par
exemple de l'eau, est alors bien adaptée pour le pompage de
l'eau. Par contre, en production de brut avec gaz libre, ~ui
représente un cas général d'application de la production
pétrolière, elle nécessiterait d'augmenter considérablement
le volume de fluide moteur transféré à chaque cycle pour
assister la remontée de la production en comprimant le gaz
produit, limitant ainsi considérablement le rendement
énergéti~ue et le débit de la production. L'adaptation d'un
séparateur de gaz au fond avant l'aspiration de la pompe,
dont l'efficacité n'est pas parfaite, compli~uerait la
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complétion du puits, sans permettre de supprimer totalement
cet inconvénient.
Une troisième solution, telle que celle qui est décrite
dans les brevets US-2.555.613 ou US-4.013.385, consiste en~in
à utiliser un ressort mécanique ou pneumatique exerçant
directement un effort de rappel vers le haut sur le piston
d'une pompe hydraulique de fond à piston classique. Cette
solution se heurte à la grande dif~iculté de mise en place
dans un espace de petit diamètre d'un long et puissant
ressort nécessaire pour réduire substantiellement la charge
hydrostatique exercée par la colonne de fluide moteur. La
poussée P à exercer pour s'opposer à cette colonne doit en
effet répondre à la condition :
> (PMsh-pasp) S
où:
PM est la masse volumique du ~luide moteur,
g représente la constante de gravité locale (environ
9,8 m/s ),
h est la profondeur de la pompe,
Pasp est la pression d'aspiration du fluide de gisement,
S la section du piston de la pompe hydraulique de ~ond.
La poussée P ainsi calculée dépasserait ~réquemment 1000
kg.
La présente invention propose un système de pompage
hydrauligue permettant de résoudre les problèmes mentionnés
dans l'art antérieur, tout en min;misant les coûts
d'investissements et de traitement des ~luides en surface.
L'invention concerne un système de pompage volumétri~ue
alternati~ hydraulique de ~luides à basse pression comportant
au moins une enceinte de pompage, ladite enceinte comportant
au moins un conduit d'introduction du fluide à pomper et au
moins un conduit de re~oulement du fluide pompé.
Il est caractérisé en ce ~ue l~enceinte de pompage est
pourvue d'un conduit d'introduction d'un fluide auxiliaire
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tel ~u'un fluide moteur et de moyens réducteur de pression
permettant de réduire la pression dudit fluide moteur
transmise au ~1uide à pomper.
Le réducteur de pression peut former avec la paroi
interne de l~enceinte de pompage un espace dont le volume est
porté à basse pression ou au vide.
Il peut comporter des moyens permettant de préserver le
vide dans cet espace, lesdits moyens comportant un clapet de
préservation du vide.
On pourra éventuellement utiliser un joint élastigue en
complément de ce clapet, le joint étant disposé pour
emprisonner une faible quantité de volume liguide dans
l'espace vide
De cette manière, il est possible de maintenir le vide
ou la basse pression dans cet état au cours de
l'exploitation, et le réducteur de pression peut remplir
parfaitement sa fonction pendant toute la course du réducteur
de pression et tout au long de l'exploitation du système.
Il peut aussi comporter des moyens de rappel reliés
audit réducteur de pression.
Selon un mode de réalisation, l'enceinte de pompage
comporte deux parties, une première partie et une seconde
partie, lesdites parties étant reliées par un conduit, et:
~ la première partie ou partie motrice comporte les moyens
réducteurs de pression et peut être pourvue de moyens
d'introduction du fluide moteur, le fluide moteur jouant
aussi le rôle de fluide tampon,
~ la seconde partie comporte par exemple un moyen jouant le
rôle de piston et délimitant deux chambres à volume
variable, une des chambres étant en communication avec les
moyens d'introduction et de refoulement du fluide à pomper
et l'autre communiquant avec le conduit d'introduction du
fluide moteur,
Selon cet agencement, le piston libre est asservi
hydrauliguement par l'intermédiaire du ~luide moteur ou
tampon.
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~.
s
Le réducteur de pression pourra comporter au moins un
premier piston P1 ayant une section S1 et un deuxième piston
P2 de section S2, le premier et le deuxième piston étant
disposés sensiblement sur le même axe, le rapport des
sections S2/S1 étant compris entre 1 et 10 et de préférence
entre 2 et 3.
En négligeant le frottement des joints d'étanchéité des
pistons, la pression hydrostatique ainsi transmise au moyen
de pompage comportant par exemple un piston libre, est
réduite d'un facteur égal à S2/S1.
Les moyens assurant la fonction de pompage, peuvent être
formés aussi par une membrane souple déformable disposée
sensiblement selon la longueur de la pompe ou par une
membrane double ou encore selon un autre mode de réalisation,
IS par une ou plusieurs membranes extensibles gonflées et pliées
alternativement de manière à créer dans le corps de la pompe
la variation de volume de la chambre nécessaire aux phases
d'aspiration et de refoulement.
Les opérations de pompage peuvent être. réalisées à
l~aide d'un dispositi~ de c~mm~n~ et de génération de cycle
de pression modulée en surface. Le fluide moteur est par
exemple une huile hydraulique classique, ou du gas-oil
soigneusement filtré, éventuellement de l'eau traitée pour
éviter la corrosion.
2~ Le système de pompage aelon l'invention s'appli~ue
particulièrement bien au pompage de fond d'un effluent de
type pétrolier ou éventuellement d'eau de gisements
aquifères.
Par rapport aux systèmes de pompage hydrauli~ue selon
l'art antérieur, la présente invention offre notam.ment les
avantages suivants :
~ le système est simple à réaliser et à exploiter,
~ les clapets peuvent être avantageusement disposés en partie
haute de la pompe, pour favoriser l'expulsion en premier du
gaz libre en phase de re~oulement de la pompe, ce qui
améliore l'efficacité du pompage,
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~,
~ les volumes morts à l'aspiration peuvent être m; n; mi sés,
~ les risques d'injection notable de li~uide moteur dans le
gisement en phase de pompage étant réduits, il est possible
de s'affranchir de l'utilisation d'une vanne de type
"standing valve" habituellement utilisée dans le domaine du
pompage hydraulique classi~ue,
~ l'ensemble réducteur de pression/pompe de fond peut être
mis en place de différentes manières, par exemple en le
suspendant a un coil-tubing déroulé en surface, ou en le
descendant simplement depuis un sas en surface vers le fond
par simple gravité à l'intérieur d~un tubing de diamètre
suffisant, suivant la techni~ue des pompes hydrauliques
libres.
En outre, pour les options de pompes actionnées par
l~intermédiaire d'un li~uide hydrauli~ue tampon :
~ du fait ~ue les joints du double vérin et de la pompe sont
au contact avec le li~uide moteur propre, la longévité du
système est améliorée,
~ les efforts mécani~ues appliqués aux moyens de pompage sont
minim; sés, car les deux chambres de la pompe comportant le
li~uide moteur et la production sont ~uasiment en
é~uipression, en phase de re~oulement comme d'aspiration,
~ il n'est pas nécessaire d'aligner les moyens de pompage
exactement sur l'axe du double vérin, ce ~ui facilite la
mise en place du système, par exemple en présence d'une
çomplétion de médiocre ~ualité.
D'autres avantages et caractéristi~ues de la présente
invention apparaîtront mieux à la lecture de la description
donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le
cadre d'applications nullement limitatives, en se référant
aux dessins annexés où :
~ la figure 1 représente le principe d'un système de pompage
hydrauli~ue selon l'invention disposé à l'intérieur d'un
tubing, comportant un réducteur de pression composé d~un
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double piston, le piston de plus large section jouant
directement le rôle de piston de pompage de la production,
~ les figures 2, 3 et 4 schématisent des exemples de circuit
de puissance hydrauli~ue en surface permettant de générer
des cycles de pression modulée, ainsi ~ue la forme de ces
cycles de pression modulée générés en surface,
~ la figure 5 représente une variante du système de pompage
hydraulique comportant un réducteur de pression et
l'utilisation d'un fluide tampon, comportant une partie
~ réducteur de pression ~ et une partie pompe de ~ond, les
deux parties commnn;~uant,
~ la figure 6 montre une variante de disposition des clapets
de la partie pompe de fond du système de la figure 5,
~ la figure 7 montre une variante pour la~uelle la pompe de
IS fond comporte une mem.brane délimitant une chambre de
pompage,
~ les ~igures 8, et 9 schématisent selon une coupe et selon
une section, la partie ae pompe de fond é~uipé d'une
membrane déformable,
~ les ~igures 10, 11 et 12 schématisent en coupe et selon une
section la partie de la pompe de fond comportant une double
membrane déformable,
~ la ~igure 13 montre une variante de réalisation de la pompe
de fond comportant une membrane élasti~ue apte à expansion
ou rétraction sous l'action de la pression modulée du
li~uide moteur,
. la figure 14 schématise une autre variante de réalisation
comportant des moyens permettant de disposer l'ensemble du
système à l;intérieur d~un p~l~s de produc~io~,
. les ~igures 15A à 15F schématisent les principales étapes
du ~onctionnement normal d~un dispositif de pompe à piston
libre, et
~ les figures 16A à 16F montrent les principales étapes de
fonctionnement du même dispositif de pompe à piston libre
lors de la procédure de regénération du volume de li~uide
tampon, ainsi ~u~au stade de la regénération du vide dans
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le volume situé entre les deux pistons du réducteur de
pression.
La description ~ui suit concerne un système de pompage
hydraulique utilisé pour le pompage de ~ond et ~ui peut être
disposé à l'intérieur d'un tubing ou casing.
L'expression "volumetrique alternatif hydraulique~
désigne un système de pompage comportant une pompe ayant des
chambres de volume variable alternativement, en fonction de
la ~uantité d'effluents pompée ou re~oulée, et un système de
transfert de puissance utilisant un ~1uide hydraulique,
comparativement à un système de pompage de type centrifuge ou
rotodynamique.
Pour simplifier, l'expression "système de pompage"
IS désigne dans la suite de la description un "système de
pompage volumétri~ue alternatif hydrauli~ue".
La première liaison hydraulique entre le ~ond et la
sur~ace peut être assurée par un tubing de faible diamètre
dans le~uel un liquide moteur est transféré de manière
alternative.
La seconde liaison fond/sur~ace permettant à la
production ou au brut pompé avec l'eau et le gaz associé de
remonter, peut être constituée par l'espace annulaire entre
ce tubing et un tubing de diamètre supérieur, qui peut être
~ormé par le casing.
Cette disposition, habituellement utilisée dans ce
domaine, n'empêche nullement d'adopter le sens de circulation
inverse pour produire par le tubing intérieur, c'est-à-dire
remonter le ~luide pompé par ce tubing.
Le système de pompage comporte un moyen permettant de
réduire la pression du ~luide moteur, ~ui peut être
constituée d'un double vérin ayant deux pistons P1 et P2
ayant des sections de taille différentes. Le li~uide
hydraulique moteur peut être constitué d'hydrocarbures tel
~ue du gas-oil, ou par un li~uide hydrauli~ue spécial, ou
encore par de l~eau traitée. Une petite partie de ce li~uide
moteur peut servir de ~1uide tampon pour transmettre la
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pression motrice à la partie pompe du dispositi~ de pompage
de fond.
La ~igure 1 décrit un système de pompage comprenant une
S enceinte 1 cylindrique ~ui peut présenter des variations de
section ou de diamètre, comportant deux parties I et II, la
première partie pouvant être assimilée à une partie motrice
et la seconde partie II à une pompe de ~ond.
La partie I de l~enceinte 1 est en liaison avec un
conduit 24 permettant d'introduire le ~luide moteur.
A l'intérieur de cette enceinte 1 se trouvent disposés
des moyens 3 gui permettent de réduire la pression du fluide
moteur gui est transmise à la pompe de ~ond ou partie II, tel
qu'un double piston ou double vérin, comprenant un piston Pl
de section Sl et un piston P2 de section S2. Le piston Pl est
disposé dans la partie I alors ~ue le piston P2 est situé
dans la pompe de ~ond ou partie II de manière à jouer le rôle
d'élément de pompage et à ~ormer avec cette dernière une
chambre de pompage 5 à volume variable. Le rapport des
sections S2/Sl est de pré~érence compris entre 1 et 10, et de
préférence entre 2 et 3. Les deux pistons Pl et P2 sont
reliés par un axe creux 4 dont le diamètre externe est proche
du diamètre interne de la partie I du système. De cette
manière, le double piston ~orme avec la paroi i~térieure du
système un espace 12, le volume de l'espace ainsi formé étant
de pré~érence le plus ~aible possible. Ce volume est de
pré~érence mis sous vide, ou encore sous une basse pression
d'air ou d'azote, ou encore à la pression atmosphéri~ue, ces
conditions pouvant être générées au démarrage de la
production.
Les pistons Pl et P2 du réducteur de pression 3 sont
é~uipés respectivement de garnitures d'étanchéité 6 et 7
spécialement adaptées au travail de vérins sous pressions
élevées, telles que des garnitures utilisées dans les
accumulateurs oléopneumati~ues à piston libre.
Un ressort mécani~ue lO servant de moyen de rappel
auxiliaire vers le haut du piston Pl peut être logé à
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l'intérieur du double piston 3. Il peut être constitué d'un
unique ressort ou d'un empilement de petits ressorts en forme
de rondelles élastiques, guidés par un dispositif mécani~ue
11 axial ou cylindri~ue.
La partie pompe de fond comporte un conduit d'aspiration
16 é~uipé d'un clapet d'aspiration 17 et un conduit de
refoulement 18 muni d'un clapet de refoulement 19.
Le dispositif de pompage est disposé dans le casing 2,
maintenu par des moyens 20, tel qu'un système d'ancrage de la
pompe et communi~ue avec un gisement 21 par l'intermédiaire
du conduit d'aspiration 16.
Le fluide pompé issu du conduit de refoulement 18
remonte par exemple par l'espace 22 formé par la paroi
interne du casing et l'enceinte 1.
Selon un mode de réalisation, le vide de l'espace 12 ou
son maintien à basse pression est préservé grâce à un clapet
13 taré sous faible pression, fixé de préférence au niveau de
la partie 14 séparant les deux parties I et II de l'enceinte
1. Ce clapet 13 permet d'éliminer une petite ~uantité de
fluide éventuellement présente dans le volume vide 12 à
cha~ue cycle de pompage, en fin de phase de remontée du
double vérin, au moment où le volume de cet espace vide est
minim~l Le clapet 13 est relié par un très fin tubing 15 au
conduit d'aspiration de la pompe 16, afin d'évacuer
d'éventuelles fuites. Ce clapet de préservation du vide 13
peut également être incorporé dans le piston inférieur P2 du
double vérin, de manière à permettre l'élimination de fluides
piégés dans l'espace vide 12 directement avec la production
par la chambre de pompage 5.
Un joint élasti~ue 23, par exemple de forme plate ou
tori~ue, peut être implanté sur la face supérieure du piston
P2 de manière à réaliser en fin de course ascendante une
étanchéité avec la pla~ue de liaison 14 des parties I et II
(partie motrice et partie pompe de fond). Ceci permet, d'une
part, d'enfermer les faibles volumes de li~uide
éventuellement entrés dans l'espace vide pour faciliter leur
élimination par le clapet de purge avant ~ue ce li~uide
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l l
puisse atteindre le niveau du joint du petit piston du double
vérin et emplir ainsi totalement le volume normalement vide,
d~autre part, d'amortir la fin de course ascendante du
piston.
Le système de purge de l'espace, associé au ressort de
rappel vers le haut du double piston du réducteur de
pression, permet de rendre plus énergi~ue l~expulsion des
~luides piégés au travers du clapet de purge. Ces moyens de
rappel, de type mécani~ue (ressort), pneumatique
(accumulateur) ou magnéti~ue (aimants), seront de pré~érence
disposés en dessous du réducteur de pression. En négligeant
les ~rottements et les faibles gradients de pression
nécessaires à l'ouverture des clapets d'aspiration de la
production dans la pompe et d'évacuation des ~luides piégés
dans l'espace vide du double vérin, la force F de rappel vers
le haut du moyen de rappel doit satis~aire à la condition :
F > pMghsl-pasps2
où :
PM est la masse volumique du liquide moteur,
g représente la constante de gravité locale (environ
9,8 m/s2),
h est la pro~ondeur de la pompe,
Pasp est la pression d'aspiration du ~1uide de gisement,
S1 la section du petit piston du réducteur de pression,
S2 la section du grand piston du réducteur de pression.
L'application de cette ~ormule montre que pour des
rapports S2/S1 supérieurs à 2, avec un li~uide moteur
constitué de gas-oil léger, le moyen de rappel est uniquement
nécessaire lors~ue la pression d~aspiration du gisement
devient ~aible, par exemple en ~in de vie du gisement. Dans
une telle situation, l'application de la ~ormulation
précédente montre ~ue la ~orce de rappel nécessaire est de
l'ordre de quel~ues centaines de kilogrammes, et bien
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12
inférieure à celle P nécessaire pour contrebalancer
directement tout le poids de la colonne de liquide moteur.
De plus ces moyens auxiliaires de rappel, en réduisant
la pression de la colonne de liquide hydraulique motrice,
peuvent aussi contribuer à accélérer la cadence de pompage en
réduisant la durée de remplissage de la chambre de pompage en
phase d'aspiration.
Le principe de fonctionnement du système peut
s'expliquer par exemple selon les étapes suivantes :
La partie I de l'enceinte est reliée à un tubing 24
permettant d'amener le fluide moteur dans le double vérin.
Ainsi, lorsque le fluide moteur est injecté dans
l~enceinte 1 par le tubing 24, le double piston P1, P2
lS s'abaisse, le clapet d'aspiration 17 se ferme, le clapet de
refoulement 18 s'ouvre et la production est expulsée vers la
surface par l~espace annulaire 22. Lorsque le ~1uide moteur
est décomprimé depuis la surface, le piston P2 du double
vérin s'élève, le clapet d'aspiration de la production 17
s'ouvre tandis que le clapet de refoulement 19 se referme, et
la production venant du gisement 21 est aspirée dans la
chambre de pompage 5 au travers du système d'ancrage 20 du
dispositif de pompage par le conduit d'aspiration de la pompe
16.
Par ailleurs, le tubing 24 de circulation du liquide
moteur peut être éguipé d'une vanne de circulation latérale
(non représentée sur la figure) de type classique en
exploitation pétrolière, installée au fond juste au dessus du
dispositif de pompage, pour permettre la mise en place du
liquide moteur et le démarrage du système. Ce tubing peut
également être équipé d'un système classique de coulisse pour
éviter d'induire des contraintes mécani~ues sur le système de
pompage de fond et ses moyens de maintien et de mise en place
dans le casing 2, du fait des variations de longueur du
tubing de circulation du liquide moteur sous l'action de la
pression interne modulée.
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13
La mise en oeuvre du système de pompage selon
l'invention est décrite en relation avec les figures 2 et 3
gui montrent deux exemples de réalisation de circuit
hydraulique permettant de générer un cycle de pression
motrice à titre explicatif et nullement limitatif.
La figure 2 schématise un exemple de réalisation d'un
circuit hydraulique permettant de générer les cycles
précédemment décrits. Le circuit comporte par exemple un
réservoir 30 de liquide moteur relié par un conduit 31 à une
pompe 32 à débit réglable, munie par exemple d'un limiteur de
pression 33 disposé en parallèle. Une conduite 34 se divise
par exemple en une première branche 34a reliant la sortie de
la pompe 32 au conduit d'introduction du liquide moteur du
système de pompage hydraulique. Un manomètre 35 et un
accumulateur 36 permettant de récupérer au moins une partie
de l'énergie inutilisée dans les phases de décompression du
liquide moteur, si la pompe est à débit constant, sont reliés
à la première branche. Une seconde branche 34b munie d'une
vanne V2, retourne vers le réservoir 30 du liquide moteur.
Les deux branches 34a et 34b, peuvent être reliées par une
vanne de by-pass V3 pour faciliter les redémarrages ou les
arrêts du système de pompage. Les vannes V1 et V2 asservies
aux pressions, avec temporisation pour assurer les paliers de
pression basse et haute des cycles, permettent alors de
générer convenablement les différentes phases de mise en
pression de la conduite.
Les cycles de pression générés en surface comportent
schématiquement quatre phases représentées dans un diagramme
temps, pression, à la figure 4 :
~ PH1, une phase de montée en pression du liquide moteur dont
la durée dépend principalement de la puissance de la pompe
de surface,
~ PH2, une phase d'expulsion rapide de la production entrée
dans la pompe de fond, à pression sensiblement constante,
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14
~ PH3, une phase de redescente de la pression motrice, ~ui
peut être également rapide et ~ui dépend essentiellement
des pertes de charge hydraulique,
~ PH4, une phase de maintien à la pression minim~le voisine
S de la pression atmosphérique, destinée à permettre
l~admission de la production dans la pompe de fond et dont
la durée doit être choisie suffisante pour permette un
remplissage correct de la pompe de fond (partie II du
système de pompage).
L'opération de pompage s'opère en mode discontinu : le
li~uide moteur est injecté et soutiré suivant des cycles de
pression modulée, ~ui sont c~mm~n~és depuis la surface et
peuvent être analysés et optimisés. La pression du li~uide
moteur transférée à la pompe de fond est réduite au fond par
le réducteur de pression. Lorsque la valeur de pression
motrice réduite décroît et devient inférieure à la pression
des fluides du gisement à l'aspiration de la pompe, le fluide
à pomper est alors aspiré dans la pompe. Lors~ue la pression
réduite augmente et dépasse la pression de refoulement, le
fluide pompé et contenu dans la cham~re à volume variable en
liaison avec le conduit d~aspiration est expulsé par
l~intermédiaire du conduit de refoulement et remonte vers la
surface par l'intermédiaire de l'espace annulaire entre le
corps de la pompe et le casing ou le tubing de production.
La fré~uence des cycles et donc le débit de la pompe de
fond peut être réglée en ajustant en surface le débit de la
pompe d'alimentation en li~uide moteur. Le système peut être
réglé en surface, par exemple au moyen de vannes asservies
commandées par des capteurs de pression ou par une pompe
hydraulique asservie Les cycles de pression motrice en
surface peuvent être enregistrés en fonction du temps ou du
débit du li~uide moteur et analysés de manière à en déduire
les performances du pompage et intervenir si nécessaire.
L'analyse de la forme des cycles de pression peut
permettre de détecter des problèmes dans le procédé, comme
l'usure éventuelle d'un élément du système.
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La cadence des cycles de pression et leurs extrêma est
de préférence réglée de manière à assurer le remplissage de
la pompe de fond et sa vidange sans dépression ni surpression
exagérée au fond. Le ~ ncionnement du procédé, basé sur
l'utilisation d'une pompe volumétrique hydrauligue de fond,
peut être réalisé en tenant compte notamment des coefficients
de frottement hydrauligues et/ou mécanigues et de
l'efficacité du remplissage du corps de la pompe de fond.
Le même circuit de génération des cycles peut, sans
sortir du cadre de l'invention, être relié à plusieurs puits
et ainsi permettre l'activation simultanée de ces puits, de
préférence en déphasant leurs cycles de pression.
Selon un autre exemple de réalisation, les cycles de
pression modulée peuvent également être générés en surface
par une pompe hydrauligue à débit variable double sens, comme
il est représenté sur la figure 3. Dans ce cas, le réservoir
de liguide moteur 30 est relié directement par le conduit 31
à une pompe de puissance 37 à débit asservi et pouvant
fonctionner dans les deux sens. La sortie de la pompe est
reliée au conduit d'introduction du liguide moteur du système
de pompage par un conduit unigue 34. Un capteur de pression
38 disposé au niveau de la conduite de sortie de la pompe
permet avantageusement de contrôler les opérations.
Dans les deux cas, la génération des cycles de pression
peut être contrôlée à l'aide d'un micro-contrôleur 39 gui
offre notamment comme avantage la possibilité d'analyser
chague phase de compression et de décompression du cycle en
se référant aux conditions antérieures, par exemple afin
d'estimer la composition de la production (GOR à
l'aspiration) et d'optimiser son débit.
Dans le cas de fluide ou de bruts corrosifs, les joints
d'étanchéité disposés au niveau du piston P2 pourraient être
rapidement détériorés et ne plus remplir alors leur fonction.
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.
16
De façon à éviter ce genre de problème, la figure 5
montre une variante de réalisation où le système comporte
deux parties séparées par un fluide tampon, pour que les
joints d'étanchéité du piston P2 soient en contact avec un
fluide propre (fluide tampon) au lieu d'être en contact avec
le fluide produit.
Les ~igures 5 à 13 décrivent differentes variantes du
système de pompage hydrauligue décrit à la figure l, qui
comportent tous cette disposition en deux parties et
l'utilisation d'un fluide tampon. Dans les différentes
variantes de réalisation, les parties motrice et pompe de
fond sont découplées et le fluide tampon est utilisé comme
fluide moteur. Il permet de transférer de manière souple et
avec le m;n;mllm de frottements la puissance du fluide moteur
à la pompe.
La figure 5 montre une variante de réalisation où
l'enceinte 1 comporte deux parties 40 et 41 en liaison par
exemple par un conduit 42.
La partie 40 comporte le dispositif réducteur de
pression 3, par exemple le double vérin représenté sur la
figure 1. Les éléments communs entre cette figure et la
figure 1 ne sont pas rappelés.
De manière à permettre l'introduction du fluide
hydrauligue, le piston P1 est relié à un conduit 43 et à un
clapet 44 gui laisse passer le fluide tampon hydrauligue à
l'intérieur de l'axe du creux du double vérin, dans le
conduit 42 souple ou rigide et jusqu'à la face supérieure
d'un piston libre 47 de la pompe de fond 41. Le clapet 44 est
un clapet taré sous fort gradient de pression (de l'ordre de
quelgues dizaines de bar), fixé au piston P1, à l'intérieur
ou à l'extérieur de ce dernier.
A l'extrémité de la partie 40 voisine du piston P2, se
trouve le conduit 42, par exemple un tube de liaison, gui
permet le passage du fluide moteur vers la partie 41.
La partie 41 représente le corps de la pompe de fond.
Elle est séparée par le piston libre 47, en deux chambres 46,
48 de volume variable. Le piston peut être éguipé de joints
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17
d'étanchéité 49 permettant d~assurer l'étanchéité entre les
deux chambres lors de son coulissement. Le piston libre peut
aussi être pourvu d'un clapet 50 permettant de préserver le
volume de fluide tampon introduit par le clapet de
remplissage de fluide hydraulique et remplissant le creux de
l'axe du double piston, une partie de la chambre de pompage
du fluide tampon et la chambre de volume variable 46.
La chambre de pompage de la production 48 à volume
variable, constituée par la partie inférieure du corps de
pompe 41 sous le piston libre 47, a un volume gui varie en
fonction de la position du piston P2 du réducteur de
pression, auguel le piston libre 47 est asservi
hydrauliguement par l'intermédiaire du liguide tampon. Le
fonctionnement alternatif de la pompe, avec phases opposées
d'ouverture et de fermeture des clapets d'aspiration de la
production 17 et de re~oulement 19, est similaire à celui
décrit pour l'option décrite précédemment figure 1
Lorsgue l'on introduit le fluide moteur ou li~uide
moteur, le piston P2 du double vérin vient en butée sur le
~ond de la partie 40, et le piston llbre 47 de la partie 41,
ou pompe, vient en butée avec le ~ond de 1a pompe.
La présence du clapet 50 taré sous une charge un peu
plus faible gue celle du clapet g4 (~ixé sur le piston P1),
permet l'entraînement éventuel d'impuretés ou d'inclusions de
gaz dans le circuit moteur, et constitue une protection
contre d'éventuelles surpressions lors de cette opération de
remplissage. Une certaine ~uantité de ~1uide tampon est
introduite par le clapet 44 de façon ~ue le clapet 50 s'ouvre
et laisse passer le fluide pollué vers le conduit
d'évacuation de la pompe de ~ond. Le fluide tampon pollué est
évacué par l'espace annulaire 22. Ce clapet peut être disposé
à l'i~térieur du piston libre 47, ou éventuellement sur le
haut du corps de pompe 41.
1a mise en circulation du liguide moteur avec contrôle
du volume de li~uide tampon, doit s'effectuer à la mise en
place de la pompe, puis en cas de dé~icit ou d'excès de ce
fluide tampon détecté par l'analyse en surface des
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.
18
performances des cycles de pompage, à effectuer de manière
périodigue.
La pompe de ~ond, dans cet exemple de réalisation, est
une pompe à simple effet, sous-jacente pour simplifier son
installation et améliorer son efficacité. Elle est constituée
de matériaux capables de résister à l'action de fluides tels
que des bruts polyphasigues chauds, abrasifs et corrosifs.
la figure 6 représente une variante du dispositif de la
figure 5 où les moyens d'aspiration et de refoulement,
respectivement un conduit 60, 61 et des clapets 62, 63 sont
disposés au niveau de la partie supérieure du corps de pompe.
Dans cette exemple de disposition, le conduit 64 mettant
en commnn; cation la partie motrice et la partie pompe de fond
et permettant le passage du fluide hydraulique moteur, est
relié à la partie inférieure de la pompe de fond et le
conduit d'aspiration 60 partant du gisement 21 remonte le
long du corps de pompe. La présence de ces conduits nécessite
un corps de pompe plus étroit gue celui du dispositif de la
figure 1 du fait de l'encombrement de ces conduits qui doit
être compensé par un allongement du corps de pompe de manière
à obtenir la correspondance entre le volume de pompage et la
capacité d'injection de fluide tampon par le double vérin.
Le clapet 65 de préservation du volume de fluide tampon
est disposé au niveau du piston libre de manière opposée à
celui de la figure 5 du fait de la position des conduits
d~aspiration et de refoulement.
La disposition en position haute des moyens de
refoulement (61, 63) de la pompe de fond améliore
l'efficacité du pompage en présence de gaz libre.
D'autres modes de réalisation du dispositif de pompage
sont brièvement décrits aux figures 7 à 13. Ils di~férent de
la figure 5 par la constitution de l'interface souple jouant
le rôle de piston libre et servant à générer les chambres à
volume variable, ainsi que par le mode de mise en place de la
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19
pompe ou le sens de circulation des fluides dans la
complétion.
Du fait des similitudes existant avec les figures
précédentes, seules les parties des figures représentant la
S pompe de fond ont été représentées, elles sont toutes reliées
par un conduit de type 42 à une partie motrice.
Le piston libre 47 est remplacé par une membrane 70
étanche, souple et déformable sous l'action alternée de
l'aspiration et du refoulement d'un li~uide hydraulique
tampon, de manière à constituer une chambre d'aspiration et
de refoulement à volume variable.
La membrane élastique 70 peut être réalisée en
élastomère de synthèse résistant aux hydrocarbures.
Un caoutchouc nitrile pourrait être utilisé pour des
15 températures de froid atteignant 110~ à 130~C. Un nitrile
hydrogéné permettrait de fonctionner jusqu'à 130 à 150~C.
Pour des températures supérieures, des polymères fluores, du
type Viton, seraient à sélectionner. La membrane peut être
normalement cylindri~ue, disposée selon l'axe longitudinal de
la pompe et sertie à ses deux extrémités 71, 72 dans des
pièces d'adaptation 73, 74 commllni~uant avec les deux clapets
respectivement d'aspiration et de refoulement de la
production. La membrane élastique 70 est disposée de manière
à définir deux chambres de pompage à volume variable
référencées respectivement 75, 76.
La chambre à volume variable 75 communique avec les
conduits d~introduction de la production 72 et de refoulement
78 muni d'un clapet 79. Le conduit de refoulement 78 débouche
dans l'espace annulaire 22.
La chambre à volume variable 76, est reliée au conduit
permettant l'introduction du fluide tampon du réducteur de
pression vers la pompe de fond.
Le conduit de refoulement 75 et le clapet de refoulement
76 sont par exemple disposés au niveau de la partie
supérieure du corps de pompe, alors ~ue le conduit
d'aspiration 77 et le clapet d'aspiration sont disposés à
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r
l'opposé dans la partie inférieure ainsi que le clapet de
préservation du volume de liquide tampon.
Le corps de pompe peut être pourvu de moyens 73 tels ~ue
des grilles - évitant à la membrane d'être endommagée
S lorsqu'elle se gonfle ou se rétracte au cours des opérations
de pompage. Les grilles peuvent également être mises en place
au niveau du conduit de liaison 42 et sur les conduits
d'aspiration et de refoulement.
La forme du corps de pompe peut aussi être choisie en
conséquence afin de limiter la déformation de la membrane
lors des phases de remplissage et de refoulement du fluide
tampon.
Les figures 8 et 9 schématisent une vue en coupe et
lS selon une section 9-9 d'un système de pompage équipé d'une
membrane souple et déformable créant une chambre de pompage
de volume varia~ie à l!in~érle-u~ d'un co ~s de po,..pe de or~.e
adaptée, l'ensemble du dispositif de pompage étant mis en
place en le suspendant à un coil tubing, la production
remontant par l'espace annulaire tub1ng de production/tubing
de circulation du fluide moteur,
La membrane 80 peut être une toile plane caoutchoutée et
étanche. Elle est fixée par exemple par un premier de ses
côtés 81 et sur toute la longueur de ce premier côté à la
paroi interne du corps de la pompe, et par un second côté 82
et sur toute la longueur de ce second côté à un endroit
opposé de la paroi interne du corps de la pompe, de ~açon à
former une chambre de pompage à volume variable. La paroi du
corps de pompe présente ici une forme plus complexe compte
tenu des possibilités de déformation d'une stucture toilée.
Les clapets d'aspiration 83 et de refoulement 84 sont
équipés de grilles 85, 86 disposées au niveau de la paroi
interne du corps de la pompe, ayant not~mm~nt pour fonction
de limiter la déformation de la membrane, par exemple en
évitant qu'elle ne pénètre dans le conduit d'aspiration ou de
refoulement où elle pourrait être détériorée. Une telle
intrusion pourrait être due à une variation soudaine et/ou
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21
importante de la pression du fluide pompé ou du liquide
tampon.
Les figures 10, 11 et 12 montrent une vue en coupe et
S selon une section d'une autre variante de réalisation, où la
membrane simple toilée utilisée précé~mm~nt (figure 8) est
remplacée par une mem~rane double 90 de même matière. La
membrane double est constituée de deux interfaces déformables
91, 92, distincts de façon à pouvoir créer une chambre ou
IO espace 93 à volume variable. Ainsi, lors de la phase de
refoulement du fluide pompé vers la surface, les parties 91
et 92 s'écartent, le volume de espace 93 augmente, les
parties 91 et 92 peuvent venir se pla~uer sur la paroi
interne du corps de la pompe (figure 12), alors ~u'au cours
de la phase d'aspiration du fluide à pomper, les parties 91
et 92 ont tendance à se rapprocher, le volume de la chambre
diminuant (figure 11).
Les parties 91 et 92 sont fixées respectivement dans les
parties in~érieures et supérieures du corps de pompe par des
moyens appropriés, connus de l'homme de métier ~ui ne seront
pas détaillées à nouveau.
Le ou les clapets de refoulement 94, 95 sont par exemple
disposés au niveau de la partie supérieure de la pompe. Les
clapets d'aspiration 96 et/ou de refoulement sont de
préférence associés à des grilles semblables aux grilles 85,
86 décrites à la figure 8. Le conduit 97 permettant
d'introduire le fluide tampon et moteur, est en communication
avec la chambre 93 et est disposé de préference au voisinage
de l'axe central du système.
la figure 13 montre une vue en coupe d'une variante de
réalisation comportant une membrane élasti~ue apte à
expansion ou rétraction sous l'action de la pression modulée
du liquide moteur. Le corps de pompe est pourvu d'une
membrane élasti~ue 100 extensible de type baudruche, par
exemple constituée en élastomère de synthèse résistant aux
hydrocarbures, qui est gonflée et dégonflée alternativement
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22
de manière à créer la variation de volume de la chambre dans
le corps de la pompe nécessaire aux phases d'aspiration et de
refoulement. La pompe est suspendue ici au tubing de
transfert du fluide moteur et la production remonte par
S l~espace annulaire.
Il est possible d'utiliser plusieurs vessies en
matériaux non extensibles étanches, par exemple des tissus
caoutchoutés, imbrigués de façon gue le volume mort dans la
chambre de compression soit aussi réduit gue possible. Dans
ce cas, les clapets d'aspiration et de refoulement sont
éguipés de grilles telles gue décrites précé~mm~nt ayant
notamment pour fonction d'éviter à la membrane de se
détériorer, par exemple en limitant son parcours et en
évitant gu'elle pénètre à l'intérieur du conduit de
lS refoulement.
La figure 14 schématise une variante du système où la
partie motrice est pourvue de moyens permettant d'installer
l'ensemble du système de pompage au fond d'un puits par
wireline.
Sur cette figure donnée à titre d'illustration, la
remontée s'effectue par l'intérieur du tubing de production,
le liguide moteur circulant dans l'espace annulaire
casing/tubing de production.
25La partie motrice est éguipée au niveau de sa partie
supérieure d'une partie 101 reliée à un tube 102, ce dernier
étant maintenu à l'intérieur du casing par des packers 103.
La partie 101 comporte un passage 104 du fluide moteur vers
la partie motrice et un passage 105 du ~1uide pompé par la
pompe de fond vers l'intérieur du tubing de remontée de la
production.
Les figures 15A à 15F représentent les principales
séguences d'un cycle de pompage normal, montrant, suivant la
position du double piston du réducteur de pression 3, la
position du piston libre de la pompe 43 et l'état des clapets
d~aspiration 17 et de refoulement 13 de la pompe.
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23
Les figures 16A à 16F schématisent en~in les étapes de
régénération du volume de liquide tampon lorsqu~il y a
pollution de ce dernier par du ~luide pompé ou encore
lorsgu'il y a eu des fuites :
~ lors de la procédure de régénération du volume de li~uide
tampon commandée en surface en cas de perte ou de gain de
ce volume provo~ués éventuellement par des fuites aux
di~férents clapets et joints du dispositi~ de pompage : les
clapets 23, 50 et 19 convenablement tarés permettent de
mettre en place le li~uide tampon, de le renouveler s'il en
man~ue ou d'évacuer un excès si nécessaire,
~ lors des étapes de régénération du volume vide situé entre
les deux pistons du réducteur de pression, notamment en cas
d~usure et de perte d'étanchéité des joints de ce double
piston : les ~luides ayant envahi cet espace sont évacués
au travers d'un clapet taré 13 de préférence relié par un
tubing de petit diamètre 1~ avec le tubing de production au
dessous du clapet d'aspiration de la production.
Le système réducteur de pression peut être choisi à
courses relativement longues, par exemple des courses
supérieures à un mètre, de manière à réduire les pertes
d~énergies par inertie et à limiter les fuites et l'usure au
niveau des clapets. Un tel mode de réalisation améliore
l'efficacité du pompage.
La vitesse de déplacement du piston réducteur de
pression est choisie de préférence inférieure à 1 m/s afin de
réduire les ris~ues d'usure des joints coulissants disposés
au niveau du dispositif.
Le système selon l'invention trouve avantageusement son
application pour la production de puits petits producteurs de
bruts, par exemple en fin d~exploitation des puits.
Il s'adapte aisément pour différentes conditions,
~uelque soit la profondeur d'immersion de la pompe, la
température et la pression de fond, la déviation du puits, la
.
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24
nature du gisement et son environnement, ou quelque soit les
propriétés du brut et des phases associées, sous réserve
qu'ils respectent des conditions m;niml~m de pompage, par
exemple une teneur en sable ou sédiments non excessive et une
viscosité du brut pas trop élevée.
Ainsi, il trouve son application optimale pour la
production de puits petits producteurs à ~aibles pro~ondeurs
et ~ortes déviations.
