Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention se rapporte a une installation
pour puits petrolier munie d'une électropompe en fond de
puits.
Dans certains puits petroliers, l'ecoulement naturel
des hydrocarbures du fond a la surface s'avere insuffisant
pour permettre ou maintenir une production commerciale. Ceci
est dû soit à la viscosité importante des hydrocarbures,
soit a 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
electrique immerge au fond du puits qui est alimente par un
câble dispose 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 electropompes, immergées de fond de
puits qui necessitent le retrait d'un tubage, on trouve dans
l'ordre :
- les courts-circuits electriques (environ 80%),
- l'usure mecanique,
- la rupture mecanique.
Certes, certains courts-circuits surviennent dès le
premier démarrage et resultent 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 degradation
progressive normale des barrières d'isolation electrique,
puisque les pompes sont immergees dans l'effluent extrait de
la roche pétrolifere.
La gamme de puissance et la profondeur
d'installation requièrent des voltages eleves, pouvant
atteindre 1000 a 3000 volts pour minimiser les pertes dans
les câbles. Mais ces tensions élevées rendent les
installations vulnerables.
L'alteration des isolants solides résulte de
phenomènes facilement comprehensibles :
- L'exploitation du puits engendre nécessairement des
variations de pression et de temperature, dus aux arrêts et
aux changements de regimes, dans les zones où se trouvent
les equipements de pompage, creant des cycles de
sollicitations mecaniques dans les materiaux constitutifs.
- Les variations de pression provoquent aussi des
migrations repétees de gaz au sein des isolants, qui tendent
à degrader leur structure et leur performance.
- La présence d'hydrocarbures, d'aromatiques, de gaz
acides et autres provoque des attaques chimiques diverses
sur les differentes barrières d'isolation mécanique ou
electrique, contribuant a leur degradation dans le temps.
- Les variations de courant electrique (notamment les
arrêts et demarrages du moteur) traversant les conducteurs
electriques engendrent par effet Joule des variations de
temperature importantes qui accelerent le vieillissement des
isolants electriques.
- Les voltages elevés évoques ci-dessus generent des
champs de sollicitations importants sur tous les isolants.
Le deuxieme facteur de coût d'utilisation des
electropompes immergées de fond de puits est que pour
reparer une panne, il faut remonter tout le câble electrique
et le tubage auquel l'unité de fond est accrochee. 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 consequent,
être remontes en totalité avec le tu~age en cas de
maintenance. Cette intervention nécessite un appareil de
service onéreux à mobiliser, notamment sur des sites
difficiles d'accès (isole, en mer, sous-marin, urbain). Le
delai d'attente et la duree d'intervention génèrent aussi
des manques a 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
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economiquement le developpement de certains champs
pétroliers marginaux.
Une installation de pompage aux tiges consiste en
une pompe de fond volumetrique installee 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 a balancier anime par un moteur électrique rotatif
ou bien un vérin hydraulique.
Le poids propre, l'inertie, le frottement et la
fatigue mecanique des tiges limitent la capacite et la
performance de pompage de ces systemes. Ils sont peu adaptes
aux puits eruptifs sur lesquels des organes de securite de
fond sont requis, aux puits profonds ou aux debits elevés
(superieures à 200 m3/j de liquide).
Le concept monobloc des électropompes de fond
actuelles est intéressant dans le cas de puits ou la
manoeuvre de manutention est facile et peu onereuse, cas des
puits d'eau potable, des puits non éruptifs a terre ou peu
profonds. Il n'est pas adapte aux puits pétroliers actuels
et a venir. Ceux-ci sont de plus en plus profonds,
inaccessibles, dangereux (car souvent eruptifs), et dotes
d'équipements complexes et delicats à mettre en place. Il
devient souhaitable de concentrer les faiblesses
incontournables comme l'usure mecanique sur un module
independant qui serait plus léger et moins coûteux a
remonter et remplacer, avec un câble ou un treuil par
exemple.
Etant donne que la majorite des causes de panne
provient du fait que la partie électrique est immergee dans
un milieu hostile, il serait souhaitable de regrouper
l'ensemble de la partie electrique dans une enceinte à
l'abri de toute agression susceptible d'entraîner 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
independamment remontes et remplaces dans un but de
maintenance, suite a une usure mecanique, ou de flexibilité,
2~595S~
pour s'adapter par exemple à une evolution des effluents du
puits ou des conditions d'exploitation.
La presente invention a donc pour objet une
installation pour puits petrolier qui permet de separer la
partie electrique des parties mécaniques d'un groupe
électropompe immerge dans le puits, de placer la partie
electrique dans une enceinte a l'abri des agressions
exterieures provenant notamment des effluents du fond de
puits, et de regrouper les parties mecaniques afin de
faciliter leur retrait.
Pour ce faire, l'invention propose une installation
pour puits pétrolier s'étendant de la surface vers une
couche de roche petrolifere comprenant un tubage dispose
dans le puits et formant une voie d'ecoulement vers la
surface pour des hydrocarbures provenant de la couche de
roche petrolifère, un cuvelage délimitant la paroi du puits,
et un joint dispose en fond de puits entre le tubage et le
cuvelage de manière a former une chambre isolee des
hydrocarbures, l'installation comprenant de plus, dans le
puits, une pompe et un moteur electrique destine à actionner
la pompe caracterise en ce que le stator du moteur
electrique est dispose a l'exterieur du tubage, isole par
celui-ci des hydrocarbures s'écoulant a l'interieur du
tubage.
Le moteur electrique peut être un moteur rotatif ou
linéaire.
Selon un mode de realisation preféree, la pompe est
placee en amont du moteur electrique.
La présente invention présente l'avantage de créer
une barrière d'etancheite infranchissable par l'effluent
entre la partie mobile centrale et les bobinages du stator.
Actuellement dynamique, cette barriere est une technologie
plus simple et plus fiable car il s'agit d'une barrière
statique de type paroi, qui n'est plus traversee 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 independamment de la partie fixe, et en
~15~
.
particulier des équipements electriques, et de plus grâce a
une intervention legère au câble, ce qui facilite la
maintenance mecanique et reduit les coûts d'exploitation.
D'autres caractéristiques et avantages de la
presente invention ressortiront a la lecture de la
description suivante, donnee a titre explicatif mais non
limitatif, faite en relation avec les dessins annexes 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 representee, genéralement en 10,
une installation pour puits petrolier dans laquelle un puits
12 s'etend entre la surface 14 et une couche de roche
petrolifere 16. Le puits 12 comporte un cuvelage 18 qui rend
le puits etanche par rapport aux couches de roches
traversees par le puits. A l'interieur du puits s'etend un
tubage de production 20, entre une tête de puits,
représentee schématiquement en 22, et un joint 24, plus
communement appele "packer" qui est dispose, par exemple, a
environ 100 m au-dessus du niveau de la roche pétrolifère
16. Une chambre 26 etanche est definie entre la paroi
exterieure du tubage 20 et la paroi intérieure du cuvelage
18.
Dans l'exemple illustre, le tubage 20 comporte, à
son extremite inferieure, un ensemble de pompage, represente
generalement en 28 qui comprend une pompe alternative 30
destinée à être actionnee dans le sens de la flèche 32 par
un moteur electrique linéaire 34 par l'intermédiaire d'une
tige de piston 36. Le moteur électrique lineaire 34 est
alimente à partir de la surface 14 par un cable electrique
38 dispose dans la chambre 26.
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Le moteur linéaire 34 comprend un stator 40 et une
partie mobile 42 deplaçable selon l'effet du champ
magnetique genére par le stator. Selon l'invention, le
stator 40 est monte à l'exterieur du tubage 20 a l'interieur
de la chambre 26. Le tubage 20, au moins dans la région 43
avoisinant le moteur lineaire 34, est forme de matériau
amagnetique, qui, dans un exemple preféré, est de la
ceramique. La partie mobile 42 est munie, a son extremite
superieure d'une tête d'accrochage 44 qui permet de remonter
a la surface, par exemple au moyen d'un câble, la partie
mobile 42 ainsi que la pompe 30.
Le refroidissement du moteur est assure 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 évidee.
La chambre 26 contenant la partie electrique peut,
dans un mode de realisation preferee, recevoir une substance
diélectrique, un liquide ou un gel, afin de renforcer encore
la pérennite de l'installation. L'utilisation d'un gel
présente aussi l'avantage d'isoler thermiquement le tubing,
qui reçoit alors toute la chaleur dissipee dans le câble 38
qui le longe et dont il sert de radiateur. Cet echauffement
assurera un meilleur rendement énergetique global de
l'installation grâce a l'echauffement des écoulements.
Comme represente 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'entree de l'effluent dans la pompe.
La lubrification entre les parties mobiles et fixes
se fait soit à sec avec des materiaux appropriés (céramique,
zirconium, teflon, carbures ou bronze), soit par un film
d'effluent mis en place par effet hydrodynamique. Un systeme
parallèle de lubrification pourrait aussi être mis en place.
L'installation selon l'invention evite la traversee
electrique du joint ou "packer" qui etait jusqu'a present
21S~5~
inévitable et constituait une source des principales pannes
electriques des systemes utilises jusqu'alors.
Un deuxième mode de realisation est representé sur
la figure 2 dans laquelle les eléments communs à
l'installation de la figure 1 portent les mêmes chiffres de
référence. Un moteur rotatif, representé generalement en 46,
est relie a une pompe rotative de construction classique,
représentee 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
disposee ia l'exterieur 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 dispose 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 amagnetique de sorte à ne pas perturber
le champ magnetique qui la traverse.
L'arbre 56 est monte libre en rotation dans le
tubage 20 par l'intermediaire de paliers superieur 64,
central 66 et inferieur 68 à butee axiale. Les paliers 64,
66, 6a 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 realisation
de la figure 1, la partie mobile du moteur comporte, à son
extremite superieure, une tete d'accrochage 44 permettant de
remonter a la surface la partie mobile du moteur ainsi que
la pompe 48. Cette operation s'effectue de manière classique
par cable depuis la surface.
Ainsi l'installation selon l'invention permet
d'isoler la partie electrique des moteurs des hydrocarbures
ou des effluents passant à l'interieur du tubage 20,
hydrocarbures qui constituent un milieu corrosif. Ce type
d'installation permet de réduire considerablement le nombre
de pannes électriques tout en permettant un remplacement
facile des parties mobiles de l'installation.
