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CA 02260333 1999-02-12
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MÉTHODE DE CONDUITE D'UN PUITS DE PRODUCTION
D'HUILE ET DE GAZ ACTIVÉ PAR UN
SYST~ME DE POMPAGE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une méthode de conduite d'un puits
pétrolier de production d'huile et de gaz activé par un système de pompage
immergé en fond de puits.
1o
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE -
Pour certains puits pétroliers, le débit de production d'hydrocarbures
sous forme d'huile et de gaz est faible à cause de la faible pression qui
règne
dans le réservoir.
Afin d'augmenter la production des hydrocarbures on met en oeuvre de
manière classique un procédé connu sous le nom de procédé à pompe électrique
immergée.
Selon ce procédé un système de pompage comprenant une pompe
entraînée par un moteur électrique est placé en fond de puits, de manière à
2o aspirer l'huile du réservoir d'hydrocarbures et à la refouler dans une
colonne de
production qui relie le fond du puits situé au niveau du réservoir, à la tête
de puits
située à sa partie supérieure.
L'alimentation électrique du moteur est habituellement assurée par un
variateur de fréquence qui permet de faire varier la vitesse de rotation de la
pompe.
La colonne de production définit avec le tubage formant la paroi du
puits, un espace annulaire qui permet de ventiler l'excédent de gaz libre dans
les
conditions thermodynamiques du fond de puits.
A la partie supérieure du puits la colonne de production est reliée à une
canalisation équipée d'une duse de sortie de l'huile et l'espace annulaire est
3o prolongé par une autre canalisation équipée d'une duse pour ventilation de
gaz.
Ces deux duses permettent respectivement de régler les débits de sortie de
t'huile
et de ventilation de gaz.
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la
Une méthode de conduite d'un tel puits, décrite dans le brevet
US 5,634,522, consiste à asservir le niveau mesuré auquel remonte l'huile dans
l'espace annulaire, à une valeur de consigne prédéterminée, en agissant sur
l'ouverture de la duse de sortie de l'huile.
II est également connu d'augmenter la vitesse du moteur linéairement
en fonction du temps au cours de la phase de démarrage initial de la
production et
au cours d'un redémarrage après un arrêt.
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De manière classique la protection du moteur électrique contre un
échauffement excessif est assurée par un disjoncteur qui coupe l'alimentation
électrique lorsque l'intensité absorbée dépasse une valeur fixe de seuil très
haut.
Cette protection présente l'inconvénient de ne pas être efficace dans
toutes les conditions de fonctionnement du puits. Par exemple à faible débit
d'huile produite, l'intensité du moteur étant faible, l'échauffement par effet
Joule
est réduit, mais le refroidissement par l'huile qui circule dans le moteur est
lui
aussi faible. Dans ces conditions il peut résulter de la combinaison de ces
deux
effets opposés, une montée en température excessive du moteur sans que la
protection agisse puisque le seuil très haut d'intensité absorbée n'est pas
dépassé. De telles montées en température entraînent des dégradations dans le
temps du moteur et à terme conduisent à sa détérioration
D'autres phénomènes thermodynamiques, thermiques et hydrauliques
peuvent conduire temporairement à un excès de gaz libre dans la pompe. Cet
excès de gaz peut dans certains cas conduire à des instabilités ou à un
refroidissement insuffisant. Ces phénomènes qui ont une influence sur la
longévité du moteur et de la pompe ne sont pas pris en compte par les méthodes
de conduites connues.
Un autre inconvénient de ces méthodes connues est que toute
anomalie de fonctionnement conduit à l'arrêt de la production et à des
redémarrages coûteux.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a justement pour objet de remédier à ces
inconvénients en proposant une méthode de conduite d'un puits pétrolier activé
par un système de pompage à pompe électrique immergée, qui améliore la
protection de la pompe et de son moteur électrique d'entraînement dans toutes
les conditions de fonctionnement, qui réduit les effets des chocs thermiques
et
hydrauliques, et qui assure la cohérence entre les réglages de l'alimentation
du
moteur électrique et les réglages des sorties de puits afin de minimiser les
arrêts
de production.
Grâce à l'invention la durée de vie du système de pompage est
augmentée et le nombre d'interventions coûteuses pour réparation et des
redémarrages coüteux associés, est fortement réduit.
A cette fin l'invention propose une méthode de conduite d'un puits de
production d'huile et de gaz activé par un système de pompage, comprenant,
placés en fond de puits, une pompe immergée entraînée par un moteur électrique
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absorbant un courant d'intensité connue, ledit puits comportant à sa partie
supérieure une duse de sortie de l'huile et une duse pour ventilation de gaz,
caractérisée en ce qu'elle comporte une phase de démarrage qui consiste à
dérouler les étapes suivantes
- une étape de préparation consistant à
agir sur la duse pour ventilation de gaz pour amener la pression en amont de
ladite duse à une valeur de démarrage prédéterminée,
agir sur la duse de sortie de l'huile pour amener la pression en amont de
ladite duse à une valeur de démarrage prédéterminée,
. refermer la duse de sortie de l'huile,
vérifier que, le moteur électrique étant non alimenté, l'état de la pompe est
compatible avec un démarrage,
- une étape de mise en débit consistant à
alimenter progressivement le moteur jusqu'à ce que la pompe tourne à une
vitesse minimale prédéterminée,
vérifier après temporisation que la pression en amont de la duse de sortie de
l'huile dépasse un seuil de remontée de pression prédéterminé,
vérifier après temporisation que l'intensité absorbée par le moteur électrique
dépasse un seuil prédéterminé,
. laisser tourner la pompe si ces deux seuils sont dépassés sinon arrêter la
pompe,
augmenter progressivement l'ouverture de la duse de sortie de l'huile jusqu'à
une valeur prédéterminée,
attendre pendant une durée de stabilisation prédéterminée,
. contrôler le bon fonctionnement en effectuant simultanément des
vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur, et sur la production du
puits au moyen d'au moins un indicateur de production.
réguler la pression amont de la duse pour ventilation de gaz à la valeur de
démarrage prédéterminée.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la compatibilité de l'état
de la pompe avec un démarrage comprend les vérifications suivantes
- que la pompe, étant rotative et équipée d'un capteur de sens de rotation, ne
tourne pas en sens inverse de son sens normal de rotation,
- que le délai entre deux tentatives successives de démarrage est supérieur à
une valeur prédéterminée,
qu'après un nombre prédéterminé de tentatives de démarrage, pendant un
temps prédéterminé, la tentative suivante n'intervient qu'après une durée
prédéterminée.
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Selon une autre caractéristique de l'invention, l'intensité absorbée par
le moteur étant comparée à des seuils très haut et très bas indépendants de la
vitesse du moteur, un franchissement d'un desdits seuils provoquant l'arrêt de
la
pompe, les vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur électrique
pour
contrôler le bon fonctionnement consistent en plus à
comparer la valeur de ladite intensité à un seuil bas et en cas de
franchissement du seuil et si la durée du franchissement est supérieure à une
valeur prédéterminée, arrêter la pompe.
- vérifier, après une temporisation prédéterminée, la stabilité de ladite
intensité et
en cas de détection d'une instabilité et si la durée de l'instabilité est
supérieure
à une valeur prédéterminée, arrêter la pompe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les vérifications sur la
production du puits consistent à prendre comme indicateur de production au
moins une variable physique indicatrice du débit de sortie d'huile et à
comparer la
valeur de ladite variable à un seuil prédéterminé, un dépassement étant
considéré
comme effectif lorsqu'il est continu pendant une durée prédéterminée et en cas
de
dépassement à arrêter la pompe.
Selon une autre caractéristique, après la phase de démarrage, en
régime de production, l'invention consiste à exécuter simultanément les
opérations suivantes
- augmenter la vitesse du moteur jusqu'à une valeur objectif prédéterminée,
- ouvrir la duse d'huile jusqu'à une valeur calculée en fonction de la valeur
objectif de la vitesse du moteur,
- agir sur la duse pour ventilation de gaz pour maintenir la pression en amont
de
ladite duse à une valeur calculée en fonction de la valeur objectif de la
vitesse
du moteur,
puis contrôler le bon fonctionnement en effectuant des vérifications sur
l'intensité absorbée par le moteur et sur la production du puits au moyen
d'indicateurs de production.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ouverture de la duse de
sortie de l'huile est calculée par application de la formule suivante
Shuile = a(V - Vmin) + Smin si Vmin < V < Vmax
dans laquelle
Shuile représente l'ouverture de la duse de sortie de l'huile
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
a est un constante
Smin est une constante qui représente l'ouverture minimale de la duse de
sortie
de l'huile
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Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale du
moteur,
a, Smin, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de
la pompe et du moteur.
5 Selon une autre caractéristique de l'invention, la pression en amont de
la duse pour ventilation de gaz est calculée par application de la formule
suivante
Pgaz = ~i(V - Vmin) + Po si Vmin< V < Vmax
dans laquelle
Pgaz représente la pression en amont de la duse pour ventilation de gaz,
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
p est une constante
Po est une constante
Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale du
moteur,
(3, Po, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de la
pompe et du moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, en régime de production,
l'intensité absorbée par le moteur étant comparée à des seuils très haut et
très
bas indépendants de la vitesse du moteur un franchissement d'un desdits seuils
provoquant l'arrêt de la pompe, les vérifications sur l'intensité absorbée par
le
moteur électrique pour contrôler le bon fonctionnement consistent en plus à
- comparer la valeur de ladite intensité à des seuils hauts et bas variables
en
fonction de la vitesse du moteur,
- en cas de franchissement d'un seuil, réduire la vitesse et si le
franchissement
persiste, arrêter la pompe,
- vérifier la stabilité de ladite intensité et en cas de détection d'une
instabilité,
réduire la vitesse à une valeur prédéterminée et si la durée de l'instabilité
est
supérieure à une valeur prédéterminée, arrêter la pompe,
Selon une autre caractéristique de l'invention, en régime de production,
les seuils hauts et bas variables en fonction de la vitesse sont calculés par
application des formules suivantes
(haut = INmin + y.(V - Vmin) + 01 si Vmin < V < Vmax
Ibas = INmin + y.(V - Vmin) - ~I si Vmin < V < Vmax
dans lesquelles
Ihaut représente le seuil haut d'intensité absorbée par le moteur,
Ibas représente le seuil bas d'intensité absorbée par le moteur,
V représente la vitesse du moteur électrique,
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INmin est une constante qui représente la valeur nominale minimale de
l'intensité
absorbée par le moteur,
Vmin et Vmax représentent respectivement les valeurs minimale et maximale de
la vitesse du moteur déterminées à partir des caractéristiques du puits, de la
pompe et du moteur,
y et 01 sont des constantes calculées pour chaque puits, à partir des
caractéristiques du moteur,
Selon une autre caractéristique de l'invention, les vérifications sur la
production du puits consistent à prendre comme indicateur de production au
moins une variable physique indicatrice du débit de sortie d'huile et à
comparer la
valeur de ladite variable à au moins un seuil prédéterminé, un dépassement
étant
considéré comme effectif lorsqu'il est continu pendant une durée prédéterminée
et
en cas de dépassement à réduire la vitesse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la variable physique
indicatrice du débit de sortie d'huile est choisie dans le groupe constitué
par une
différence de pression créée par une restriction sur la sortie d'huile, le
débit de
gaz de ventilation, la pression en fond de puits en amont de la pompe, la
pression
en amont de la duse de sortie de l'huile et la température de sortie d'huile.
Selon une autre caractéristique, le puits étant équipé d'un dispositif de
sécurité, l'invention consiste à fermer les Buses de sortie de l'huile et pour
ventilation de gaz et à arrêter le moteur immédiatement quand le dispositif de
sécurité agit, pour renforcer ses propres actions.
L'invention a aussi pour objet une méthode de conduite d'un puits de
production d'huile et de gaz activé par un système de pompage, comprenant
placés en fond de puits, une pompe immergée entraînée par un moteur électrique
absorbant un courant d'intensité connue, ledit puits comportant à sa partie
supérieure une Buse de sortie de l'huile et une Buse pour ventilation de gaz,
caractérisée en ce que, après une phase de démarrage, elle consiste à exécuter
simultanément les opérations suivantes
- augmenter la vitesse du moteur jusqu'à une valeur objectif prédéterminée,
- ouvrir la Buse de sortie de l'huile jusqu'à une valeur calculée en fonction
de la
valeur objectif de la vitesse du moteur,
- agir sur la Buse pour ventilation de gaz pour maintenir la pression en amont
de
ladite Buse à une valeur calculée en fonction de la valeur de objectif de la
vitesse du moteur,
- puis contrôler le bon fonctionnement en effectuant des vérifications sur
l'intensité absorbée par le moteur et sur la production du puits au moyen
d'indicateurs de production.
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Selon une autre caractéristique de l'invention, en régime de production,
l'ouverture de la duse de sortie de l'huile est calculée par application de la
formule
suivante
Shuile = a(V - Vmin) + Smin si Vmin < V < Vmax
dans laquelle
Shuile représente l'ouverture de la duse de sortie de l'huile
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
a est un constante
Smin est une constante qui représente l'ouverture minimale de la duse de
sortie
de l'huile
Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale du
moteur,
a, Smin, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de
la pompe et du moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la pression en amont de
la duse pour ventilation de gaz est calculée par application de la formule
suivante
Pgaz = ~i(V - Vmin) + Po si Vmin< V < Vmax
dans laquelle
Pgaz représente la pression en amont de la duse pour ventilation de gaz,
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
j3 est une constante
Po est une constante
Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale du
moteur,
Vii, Po, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de la
pompe et du moteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'intensité absorbée par
le moteur étant comparée à des seuils très haut et très bas indépendants de la
vitesse du moteur et en cas de franchissement d'un desdits seuils la pompe
étant
arrëtée, les vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur électrique
pour
contrôler le bon fonctionnement consistent en plus à
comparer la valeur de ladite intensité à des seuils hauts et bas calculés en
fonction de la vitesse du moteur,
- en cas de franchissement d'un seuil à réduire la vitesse et si le
franchissement
persiste à arrëter la pompe,
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ô
- vérifier la stabilité de ladite intensité et en cas de détection d'une
instabilité,
réduire la vitesse à une valeur prédéterminée et si la durée de l'instabilité
est
supérieure à une valeur prédéterminée arrêter la pompe à arrêter la pompe,
Selon une autre caractéristique de l'invention, les seuils hauts et bas
sont calculés par application des formules suivantes
(haut = INmin + Y.(V - Vmin) + ~I si Vmin < V < Vmax
Ibas = INmin + Y~N - Vmin) - Dl si Vmin < V < Vmax
dans lesquelles
Ihaut représente le seuil haut d'intensité absorbée par le moteur;
Ibas représente le seuil bas d'intensité absorbée par le moteur,
V représente la vitesse du moteur électrique,
INmin est une constante qui représente la valeur nominale minimale de
l'intensité
absorbée par le moteur,
Vmin et Vmax représentent respectivement les valeurs minimale et maximale de
la vitesse du moteur déterminées à partir des caractéristiques du puits, de la
pompe et du moteur ,
Y et 01 sont des constantes calculées pour chaque puits, à partir des
caractéristiques du moteur,
Selon une autre caractéristique de l'invention, les vérifications sur la
production du puits consistent à prendre comme indicateur de production au
moins une variable physique indicatrice du débit de sortie d'huile et à
comparer la
valeur de ladite variable à au moins un seuil prédéterminé, un dépassement
étant
considéré comme effectif lorsqu'il est continu pendant une durée prédéterminée
et
en cas de dépassement à réduire la vitesse.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la variable physique
indicatrice du débit de sortie d'huile est choisie dans le groupe constitué
par une
différence de pression créée par une restriction sur la sortie d'huile, le
débit de
gaz de ventilation, la pression en fond de puits en amont de la pompe, la
pression
en amont de la duse de sortie de l'huile, la température de sortie d'huile.
Selon une autre caractéristique, le puits étant équipé d'un dispositif de
sécurité, l'invention consiste à fermer les Buses de sortie de l'huile et pour
ventilation de gaz et à arrêter le moteur immédiatement quand le dispositif de
sécurité agit, pour renforcer ses propres actions.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
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La figure 1 représente schématiquement un puits de production
d'hydrocarbures sous forme d'huile et de gaz, activé par un système de pompage
immergé.
La figure 2 représente la valeur des seuils hauts et bas sur l'intensité
absorbée par le moteur en fonction de sa vitesse.
La figure 3 représente l'ouverture de la duse de sortie de l'huile en
fonction de la vitesse du moteur.
La figure 4 représente la pression en amont de la Buse pour
ventilation de gaz en fonction de la vitesse du moteur.
La figure 5 est un chronogramme des tentatives de démarrage du
moteur
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
D'une manière générale la méthode de l'invention est utilisée pour
conduire un puits de production d'hydrocarbures activé par un système de
pompage.
La figure 1 représente un puits de production d'hydrocarbures qui
comprend
- une colonne 1 de production, tubulaire, qui relie le fond 31 du puits
situé au niveau du réservoir 30 d'hydrocarbures à la tête de puits située à la
partie
supérieure,
- un tube 2 concentrique à la colonne 1 qui chemise la paroi du puits
et comporte à sa partie inférieure une pluralité d'ouvertures 4 par lesquelles
les
hydrocarbures passent du réservoir au fond 31 du puits,
- un espace 3 annulaire déterminé par la colonne 1 et le tube 2 par
lequel est ventilé l'excédent de gaz libre dans les conditions
thermodynamiques
du fond de puits,
- une pompe 5 immergée dans les hydrocarbures contenus dans le
fond 31 du puits, dont la sortie hydraulique est reliée à l'extrémité
inférieure de la
colonne 1 de production destinée à remonter les hydrocarbures,
un moteur 6 électrique relié mécaniquement à la pompe 5 muni de
bornes 13 d'alimentation,
un variateur 10 de fréquence muni de bornes 11 de sortie, alimenté
au moyen d'un câble 12 par un réseau électrique non représenté sur la figure
1,
un câble 7 d'alimentation du moteur 6 électrique qui relie les bornes
11 de sortie du variateur 10 de fréquence aux bornes 13 d'alimentation du
moteur
6,
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- un capteur 8 de rotation inverse, placé sur le câble 7, qui délivre sur
une sortie un signal électrique lorsque la pompe 5 tourne en sens inverse de
son
normal de rotation,
- un capteur 9 d'intensité, qui délivre sur une sortie un signal
5 électrique représentatif de l'intensité absorbée par le moteur 6,
- une canalisation 14 de sortie d'huile reliée à la partie supérieure de
la colonne 1 de production, par laquelle est acheminée l'huile produite vers
une
unité de traitement aval non représentée sur la figure 1,
- une duse 17 de sortie de l'huile montée sur la canalisation 14
10 destinée à régler le débit de l'huile produite,
- un actionneur 18 relié mécaniquement à la duse 17, muni d'une
entrée de commande,
- un capteur 15 de pression amont de la duse 17 qui délivre sur une
sortie un signal électrique proportionnel à ladite pression,
- un capteur 16 indicateur du débit d'huile dans la canalisation 14
comprenant une plaque à orifice insérée dans la canalisation14 et un capteur
de
mesure de la pression différentielle créée par ladite plaque,
- une canalisation 19 pour ventilation de gaz reliée à la partie
supérieure de l'espace annulaire 3 par laquelle est évacué l'excédent du gaz
produit,
- une duse 22 pour ventilation de gaz montée sur la canalisation 19
destinée à régler de débit de gaz évacué par la canalisation 19,
- un actionneur 23 relié mécaniquement à la duse 22, muni d'une
entrée de commande,
- un capteur 20 de pression amont de la duse 22,
- un capteur 21 de mesure du débit de gaz de ventilation,
un automate 24 programmable, comportant une pluralité d'entrées
25a, 25b, 25c, 25d, 25e, 25f et 25g, reliées respectivement à la sortie 28 du
variateur 10 de fréquence et aux capteurs 9, 8, 21, 20, 16, 15, ainsi qu'une
pluralité de sorties 26a, 26b et 26c reliées respectivement à l'entrée 27 du
variateur 10 de fréquence et aux entrées de commande des actionneurs 18 et 23,
- des moyens 29 de dialogue opérateur / automate 24.
L'automate 24 comporte en plus non représentée sur la figure 1 une
mémoire préalablement chargée par un programme et par les données
nécessaires à la conduite du puits, notamment toutes les valeurs
prédéterminées
des variables de réglage. Celles-ci étant introduites préalablement par un
opérateur à partir des moyens 29 de dialogue automate / opérateur et étant
modifiables en cours de production par les mêmes moyens 29.
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Le variateur 10 de fréquence alimenté par le réseau électrique à
fréquence fixe, délivre sur sa sortie de puissance 11 une tension électrique à
fréquence variable modifiable par un signal appliqué sur son entrée 27. II
comporte également un contacteur-disjoncteur qui permet la mise sous et hors
tension du moteur 6, commandable par application d'un signal électrique sur
son
entrée 27 ledit signal étant émis par la sortie 26a de l'automate.
Le variateur 10 de fréquence délivre sur sa sortie 28 un signal
représentatif de la fréquence de la tension appliquée au moteur 6 électrique.
Ce
signal appliqué à l'entrée 25a de l'automate permet à ce dernier de calculer
la
vitesse du moteur 6.
La vitesse du moteur 6 électrique étant proportionnelle à la fréquence
de sa tension d'alimentation, cette vitesse est commandable à partir de
l'automate
24 par un signal délivré par la sortie 26a reliée à l'entrée 27 du variateur
10.
Le puits de production d'hydrocarbures comporte aussi non représenté
sur la figure 1, un dispositif de mise en sécurité raccordé par une sortie à
une
entrée de l'automate 24. Le dispositif de sécurité comprend des vannes de
sectionnement montées sur la colonne 1 de production et sur l'espace 3
annulaire
commandables par des modules électroniques qui réalisent des fonctions
logiques de mise en sécurité du puits.
La méthode de l'invention consiste, pendant une phase de démarrage
du puits c'est à dire à la mise en production initiale ou pour un redémarrage
après
un arrêt en cours de production, à dérouler les étapes suivantes
- une étape de préparation au cours de laquelle l'automate 24
détermine, au moyen d'un algorithme de régulation, à partir du signal
délivré par le capteur 20 de pression amont de la duse 22 pour ventilation
de gaz, une valeur de commande de l'actionneur 23 pour amener cette
pression à une valeur de démarrage prédéterminée,
détermine, au moyen d'un algorithme de régulation, à partir du signal
délivré par le capteur 15 de pression amont de la duse 17 de sortie de
l'huile, une valeur de commande de l'actionneur 18 pour amener cette
pression à une valeur de démarrage prédéterminée,
délivre ensuite sur sa sortie 26b un signal de commande de l'actionneur 18
pour fermer la duse 17 de sortie de l'huile,
vérifie ensuite que le moteur 6 électrique étant non alimenté l'état de la
pompe 5 est compatible avec un démarrage, sans risque de détérioration
mécanique, c'est à dire que la pompe 5 est à l'arrêt ou tourne dans son
sens normal de rotation qui permet de refouler vers le haut les
hydrocarbures aspirés en fond de puits. Dans le cas contraire, si la pompe
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tourne en sens inverse de son sens normal de rotation sous l'effet de la
circulation naturelle d'hydrocarbures le signal délivré par le capteur 8 est
interprété par l'automate comme une interdiction de démarrer le moteur 6.
vérifie que le délai entre deux tentatives de démarrages successives est
5 supérieur à une valeur T1 prédéterminée, pour éviter les échauffements
excessifs. Pour cela, après chaque démarrage l'automate déclenche un
compteur de temps dont il compare au démarrage suivant le contenu avec
la valeur T1 prédéterminée à partir des recommandations du constructeur
du moteur 6 et des conditions dans lesquelles il opère, cette valeur est
mémorisée sous forme d'une donnée,
vérifie qu'après un nombre n = 3, de tentatives de démarrage dans un
temps T2 que la n+1 ième c'est à dire la quatrième tentative n'intervient pas
avant un temps T3 de refroidissement du moteur. T1,T2 et T3 sont
prédéterminés à partir des caractéristiques du moteur et sont représentés
sur le chronogramme de la figure 5.
- une étape de mise en débit au cours de laquelle l'automate 24
délivre sur la sortie 26a un signal pour alimenter progressivement le moteur
6 jusqu'à ce que la pompe 5 tourne à une vitesse de démarrage
prédéterminée,
. vérifie après temporisation que la pression en amont de la duse de sortie
de l'huile, mesurée au moyen du capteur 15 de pression, dépasse un seuil
de remontée de pression prédéterminé,
vérifie après temporisation que l'intensité absorbée par le moteur 6
mesurée par le capteur 9 dépasse un seuil prédéterminé,
. laisse tourner la pompe 5 si ces deux seuils sont dépassés et dans le cas
contraire arrête la pompe 5, en donnant un ordre d'arrët au variateur 10 de
fréquence, '
augmente progressivement l'ouverture de la duse 17 de sortie de l'huile
jusqu'à une valeur prédéterminée,
. attend pendant une durée de stabilisation prédéterminée,
contrôle le bon fonctionnement du puits en effectuant simultanément des
vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur 6, et sur la production
du
puits au moyen d'un indicateur de production.
régule la pression amont de la duse 22 pour ventilation de gaz est régulée
à la valeur de démarrage prédéterminée par action sur ladite duse.
En plus des vérifications habituellement effectuées qui consistent à
comparer l'intensité absorbée par le moteur 6 à des valeurs de seuils très
hauts et
très bas indépendants de la vitesse du moteur, un franchissement d'un desdits
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seuils provoquant l'arrêt de la pompe, l'automate 24 compare ladite intensité
à un
seuil bas.
En cas de franchissement dudit seuil et si la durée du franchissement
est supérieure à une valeur prédéterminée l'automate 24 arrête la pompe 5 en
donnant les ordres adaptés au variateur 10 de fréquence.
L'automate vérifie aussi la stabilité de l'intensité absorbée par le moteur
6, afin de détecter des instabilités. Cette vérification consiste à s'assurer
que
l'intensité absorbée par le moteur 6 ne dépasse pas un nombre de fois
déterminé
des limites hautes et basses dans un temps donné. Ces différents paramètres
sont déterminés en tenant compte des caractéristiques du moteur 6 et de la
pompe 5.
En cas de détection d'une instabilité, l'automate arrête la pompe 5, en
donnant les ordres adaptés au variateur 10 de vitesse.
Pour effectuer les vérifications sur la production du puits, l'automate 24
compare le débit de sortie d'huile mesuré par le capteur 16 relié à l'entrée
25f de
l'automate, à une valeur de seuil déterminée expérimentalement. Un
dépassement étant considéré comme effectif lorsqu'il est continu pendant une
durée minimale, de manière à ne pas prendre en compte les dépassements
fugitifs qui ne sont pas significatifs d'anomalies. En cas de dépassement
l'automate donne un ordre d'arrët de la pompe 5 au variateur de fréquence.
Ainsi grâce à l'invention au cours d'une phase de redémarrage du puits,
la duse (17) de sortie de l'huile ne reste pas fermée ce qui conduirait à un
échauffement excessif et un endommagement du moteur.
Après la phase de démarrage du puits, selon l'invention, l'automate 24
exécute simultanément les opérations suivantes
- délivre sur sa sortie 26a un signal d'augmentation de la fréquence du
variateur
10, pour augmenter la vitesse du moteur 6 jusqu'à une valeur de vitesse
objectif prédéterminée pour assurer un débit de production d'huile souhaité.
Ce
débit peut ëtre fixé sous la forme d'une valeur introduite dans l'automate 24
ou
modulé en fonction des conditions de fonctionnement de l'unité de traitement
des hydrocarbures produits placée en aval du puits.
- délivre sur sa sortie 26b un signal de commande de l'actionneur 18 pour
ouvrir
la duse 17 de sortie d'huile jusqu'à une valeur fonction de la valeur objectif
de
vitesse, calculée par application de la formule suivante
Shuile = a(V - Vmin) + Smin si Vmin < V < Vmax
dans laquelle
Shuile représente l'ouverture de la duse huile
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V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur 6 électrique
a est un constante
Smin est une constante qui représente l'ouverture minimale de la duse huile
Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale
du moteur,
a, Smin, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de la pompe et du moteur.
La figure 3 représente sous forme de la courbe 44 la valeur Shuile d'ouverture
de la duse 17 de sortie de l'huile en fonction de la valeur objectif de la
vitesse V
du moteur 6.
- délivre sur sa sortie 26c un signal de commande de l'actionneur 23 pour
maintenir la pression en amont de la duse 22 pour ventilation de gaz à une
valeur fonction de la valeur objectif de vitesse, calculée par application de
la -
formule suivante
Pgaz = ~i(V - Vmin) + Po si Vmin< V < Vmax
dans laquelle
Pgaz représente la pression en amont de la duse 22 pour ventilation de gaz
mesurée par le capteur 20,
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur 6 électrique
~ est une constante négative
Po est une constante.
Vmin et Vmax représentent respectivement les vitesses minimale et maximale
du moteur,
(i, Po, Vmin et Vmax sont déterminées à partir des caractéristiques du puits,
de
la pompe et du moteur.
La figure 4 représente sous forme de la courbe 45 la valeur Pgaz de la
pression
en amont de la duse 22 pour ventilation de gaz en fonction de la valeur
objectif
de la vitesse V du moteur 6.
- contrôle le bon fonctionnement du puits en effectuant simultanément des
vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur 6, et sur la production
du
puits au moyen d'un indicateur de production.
Pour effectuer les vérifications sur l'intensité absorbée par le moteur 6
électrique, l'automate compare la valeur de ladite intensité à des seuils
hauts et
bas fonction die la vitesse du moteur 6. Ces seuils sont calculés en
appliquant les
formules suivantes
Ihaut = INmin + y.(V - Vmin) + 01 si Vmin < V < Vmax
Ibas = INmin + y.(V - Vmin) - 01 si Vmin < V < Vmax
' CA 02260333 1999-02-12
dans lesquelles
Ihaut représente le seuil haut d'intensité absorbée par le moteur 6,
Ibas représente le seuil bas d'intensité absorbée par le moteur 6,
5 V représente la vitesse du moteur 6 électrique connue de l'automate par la
valeur
de la fréquence du variateur 10,
INmin est une constante qui représente la valeur nominale minimale de
l'intensité
absorbée par le moteur 6,
Vmin et Vmax représentent respectivement les valeurs minimale et maximale de
10 la vitesse du moteur déterminées à partir des caractéristiques du puits, de
la
pompe 5 et du moteur 6,
y et al sont des constantes calculées pour chaque puits, qui tiennent compte
des
caractéristiques du moteur 6 et de son refroidissement effectif par les '
hydrocarbures pompés.
15 La figure 2 représente sous forme de courbes 40 et 41 respectivement
les valeurs Ihaut et Ibas des seuils hauts et bas d'intensité absorbée par le
moteur
6 en fonction de la vitesse V du moteur. Les intervalles 42 et 43 de variation
de I
représentent respectivement 01 et -01.
En cas de franchissement d'un seuil l'automate réduit la vitesse du
moteur 6 à une valeur prédéterminée et si le franchissement persiste au delà
d'une durée prédéterminée, arrête la pompe 5 en donnant un ordre au variateur
10 de fréquence.
L'automate vérifie aussi la stabilité de l'intensité absorbée par le moteur
6 pendant la phase qui suit le démarrage, afin de détecter des instabilités
qui sont
caractéristiques de variations rapides des conditions d'écoulement des
hydrocarbures, dues par exemple à la présence d'une quantité excessive de gaz
au niveau de la pompe, pouvant engendrer notamment des détériorations du
moteur 6 et de la pompe 5. Cette vérification consiste à s'assurer que
l'intensité
absorbée par le moteur 6 ne dépasse pas un nombre de fois déterminé une limite
haute dans un temps donné. Ces différents paramètres sont déterminés en tenant
compte des caractéristiques du moteur 6 et de la pompe 5.
En cas de détection d'une instabilité, l'automate réduit la vitesse du
moteur 6 à une valeur prédéterminée et en cas de persistance de l'instabilité
arrête la pompe 5, en donnant les ordres adaptés au variateur 10 de fréquence.
Pour effectuer les vérifications sur la production du puits, l'automate 24
compare le débit de sortie d'huile mesuré par le capteur 16 relié à l'entrée
25f de
l'automate, à des valeurs de seuils hauts et bas prédéterminées. Un
franchissement d'un seuil étant considéré comme effectif, lorsqu'il est
continu
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pendant une durée minimale, de manière à ne pas prendre en compte les
dépassements fugitifs qui ne sont pas significatifs d'anomalies. En cas de
dépassement l'automate réduit la vitesse du moteur et donne un ordre d'arrêt
de
la pompe 5 au variateur de fréquence si le défaut persiste.
La méthode de l'invention consiste aussi à coordonner les actions de
conduite avec les actions de mise en sécurité du puits. Lorsque le dispositif
de
mise en sécurité déclenche une suite d'actions de mise en sécurité il délivre
simultanément un signal sur une sortie reliée à une entrée de l'automate 24.
Ce
dernier interprète ce signal et donne les ordres de fermeture des doses de
sortie
de l'huile et pour ventilation de gaz, d'arrêt du moteur 6 qui ont pour effet
de
renforcer les actions de mise en sécurité. '
Un autre avantage de l'invention est la protection de la pompe contre
une ouverture excessive ou trop longue de la dose de sortie de l'huile qui
serait
inadaptée aux caractéristiques de la pompe. Elle permet aussi le
fonctionnement
de la pompe en présence de gaz libre car elle garantit par ses actions de
surveillance actives que les conditions de fonctionnement du puits sont
acceptables.
Grâce à la méthode de l'invention le moteur est protégé contre les
détériorations par échauffement dans toutes les conditions de fonctionnement
en
particulier à basse vitesse pendant les phases de démarrage et en cours de
production du puits tout en permettant une production maximale
d'hydrocarbures.
L'invention permet aussi de protéger les équipements du puits,
particulièrement le moteur et la pompe, des chocs mécaniques et hydrauliques
grâce aux actions simultanées sur les doses de sortie de l'huile et pour
ventilation
de gaz et sur la vitesse du moteur.
EXEMPLE
A titre d'exemple on trouvera ci-après les valeurs de paramètres utilisés
pour la mise en oeuvre de la méthode de l'invention pour la conduite d'un
puits de
production d'hydrocarbures à partir d'un réservoir situé à 650 mètres de
profondeur dont la pression statique en fond est de 50 bars. Ce puits équipé
d'une colonne de production tubulaire de diamètre 114 mm entourée d'un tube
concentrique de diamètre 244 mm est activé par un système de pompage,
comprenant, placés en fond de puits, une pompe immergée comportant 36
étages, entraïnée par un moteur électrique de 200 kW.
L'alimentation électrique du moteur est assurée par un variateur de
fréquence de puissance 360kVA permettant une gamme de fonctionnement de
1 600 à 2 700 m~/jour d'hydrocarbures parQés, la fréquence du_ courant
délivré
' CA 02260333 1999-02-12
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étant comprise entre 47 et 61 Hz qui correspondent à une vitesse minimale de
2 740 trlmn et une vitesse maximale de 3 560 trlmn.
L'intensité nominale du courant absorbé par le moteur est de 77 A à
50 Hz sous une tension de 2 000 V.
La vitesse objectif est égale à la vitesse maximale du moteur.
Après un redémarrage consécutif à un arrêt de production, au cours de
l'étape de préparation de la phase de démarrage, la pression en amont de la
duse
de gaz ventilé est amenée à 20 bars et la pression en amont de la duse de
sortie
de l'huile à 17 bars.
Le délai minimum à respecter entre deux tentatives de démarrage
successives est de 20 mn.
L'attente minimale après trois tentatives de démarrage dans un
intervalle de temps de 120 mn , est de 60 mn.
Au cours de l'étape de mise en débit, la vitesse minimale atteinte par le
moteur à l'issue de son alimentation progressive correspond à une fréquence
d'alimentation de 47 Hz soit 2 740 trlmn.
Le seuil de remontée de la pression amont de la duse de sortie de
l'huile est de 20 bars et le seuil au dessus duquel doit se situer l'intensité
absorbée par le moteur est de 36 A.
L'ouverture de la duse de sortie de l'huile, atteinte après son
augmentation progressive est égale à 70%.
Le seuil bas auquel l'intensité absorbée par le moteur est comparée,
pour effectuer la vérification sur ladite intensité pour contrôler le bon
fonctionnement, est égal à 36 A.
La stabilité de l'intensité absorbée par le moteur est vérifiée en
s'assurant que la valeur de ladite intensité ne dépasse pas à plus de cinq
reprises
pendant une minute sa valeur moyenne calculée sur intervalle de temps de
60 secondes, augmentée de 3 A.
L'indicateur de production choisi pour contrôler le bon fonctionnement
étant une différence de pression sur un orifice, convertie en débit d'huile,
le seuil
auquel il est comparé est égal à 1 000 m3ljour.
La pression amont de la duse pour ventilation de gaz est régulée à la
valeur de démarrage prédéterminée soit 20 bars.
Après la phase de démarrage, la vitesse du moteur est augmentée
jusqu'à une valeur objectif qui est obtenue en réglant la fréquence du courant
d'alimentation à 61 Hz soit 3 560 tr/mn.
Simultanément la duse de sortie de l'huile est ouverte jusqu'à une
valeur calculée en fonction de la vitesse selon la formule suivante
' CA 02260333 1999-02-12
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Shuile = a (V - Vmin) + Smin si Vmin < V < Vmax
dans laquelle
Shuile représente l'ouverture de la duse de sortie de l'huile
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
a est un constante égale à 0,036
Smin est une constante égale à 70% qui représente l'ouverture minimale de
la duse de sortie de l'huile
Vmin = 2 740 trlmn et Vmax = 3 560 tr/mn représentent respectivement les
vitesses minimale et maximale du moteur,
On obtient ainsi Shuile = 100%
La position de la duse pour ventilation de gaz est réglée de manière à
maintenir la pression en amont de ladite duse à une valeur, calculée selon la
formule suivante en fonction de la vitesse du moteur
Pgaz = ~i(V - Vmin) + Po si Vmin< V < Vmax
dans laquelle
Pgaz représente la pression en amont de la duse pour ventilation de gaz,
V représente la valeur objectif de la vitesse du moteur électrique
(3 est une constante égale à -0,01
Po est une constante égale à 20 bars
Vmin = 2 740 trlmn et Vmax = 3 560 trlmn, représentent respectivement les
vitesses minimale et maximale du moteur,
Les seuils sur l'intensité absorbée par le moteur électrique pour
effectuer les vérifications sur cette intensité, sont calculés en appliquant
les
formules suivantes
(haut = INmin + y.(V - Vmin) + 01 si Vmin < V < Vmax
Ibas = INmin + y.(V - Vmin) - 01 si Vmin < V < Vmax
dans lesquelles
Ihaut représente le seuil haut d'intensité absorbée par le moteur,
Ibas représente le seuil bas d'intensité absorbée par le moteur ,
V représente la vitesse du moteur électrique en tr/mn,
INmin = 40 A représente la valeur nominale minimale de l'intensité absorbée
par
le moteur,
Vmin = 3 560 tr/mn et Vmax = 3 560 trlmn représentent respectivement les
valeurs minimale et maximale de la vitesse du moteur déterminées à partir des
caractéristiques du puits, de la pompe et du moteur,
CA 02260333 1999-02-12
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y = 0,034 et 01 = 4 A sont des constantes calculées pour le puits considéré,
qui
tiennent compte des caractéristiques du moteur et de son refroidissement
effectif
par les hydrocarbures pompés.
La stabilité de l'intensité absorbée par le moteur est vérifiée en
s'assurant que la valeur de ladite intensité ne dépasse pas à plus de cinq
reprises
pendant une minute sa valeur moyenne calculée sur intervalle de temps de
60 secondes, augmentée de 3 A comme dans la phase de démarrage.
Lorsque la vitesse objectif est atteinte l'indicateur de production
converti en débit d'huile est comparé aux seuils de 2 400 et 3 000 rri !jour.
La valeur à laquelle la vitesse est réduite en cas de franchissement
d'un seuil pour le contrôle de bon fonctionnement est égale à la valeur de la
vitesse correspondante à la fréquence du courant d'alimentation égale à 47 Hz
soit 2 740 trlmn.
Pendant et après la phase de démarrage les seuil très haut et très bas
indépendants de la vitesse du moteur sont égaux respectivement à 80 A et 36 A.
