Procédé de réduction de la pression d'injection d'une solution de polymère dans un puits de pétrole sans cisaillement de ladite solution

Abstract

 Procédé de réduction de la pression d'injection d'une solution de polymère hydrosoluble à partir d'une même pompe d'injection dans divers puits de pétrole d'un même champs en fonction de la pression de fracturation de chaque puits selon lequel, on intercale entre la pompe d'injection et chacun des puits, une pompe volumétrique principale dont on contrôle la vitesse au moyen d'un frein.

Description

[0001] L'invention a pour objet un procédé de réduction de la pression d'injection d'une solution de polymère hydrosoluble dans les puits de pétrole d'un même champ en fonction de leur pression de fracturation et ce, sans cisaillement de ladite solution.

[0002] Dans beaucoup d'opérations dans l'industrie du pétrole, il est nécessaire de réduire la pression des fluides d'une manière différenciée entre plusieurs lignes d'injection.

[0003] Cette opération est effectuée avec des duses (anglais : chokes) qui sont en fait des vannes à passage variable, régulées ou non, qui créent une perte de charge limitant les débits et les pressions avals. Ceci est particulièrement important pour les opérations d'injection d'eau (water flooding) où une même ligne dessert divers puits d'injection. Chaque puits ayant une pression de fracturation différente, il est nécessaire à partir d'une même pompe de réduire et contrôler la pression sur chaque puits avec précision. Ces matériels sont devenus de plus en plus sophistiqués, spécialement pour les opérations sous marines à partir de plateformes ou de FPSO. Elles sont manoeuvrées électriquement ou pneumatiquement à distance avec une ouverture progressive en fonction de l'angle de rotation.

[0004] Par ailleurs, la Récupération Assistée du Pétrole s'est développée depuis le premier choc pétrolier en 1973, spécialement aux USA pour augmenter la récupération du pétrole en place. La méthode la plus efficace pour des champs à faible température (<120°C) est l'injection d'une solution visqueuse qui homogénéise la mobilité de l'eau et du pétrole et permet à la fois un meilleur balayage dans la zone de production et une augmentation du volume de celle-ci.

[0005] Trois méthodes sont particulièrement utilisées :

• Injection de polymère à une concentration de 500 à 3000 ppm (typiquement 1000 à 1500 ppm) avec des viscosités variant avec la salinité de l'eau de 5 à 100 cps.
• Injection d'un polymère et d'un surfactant (SP), le polymère étant aux mêmes concentrations que ci -dessus, le surfactant permettant d'améliorer la mobilisation de l'huile en place.
• Injection d'un polymère, d'un surfactant et d'un produit alcalin (ASP). Le surfactant et l'alcalin dispersent l'huile dans l'eau injectée et permettent une meilleure extraction. Le polymère est injecté à des concentrations supérieures (2000-3000 ppm) mais sa viscosité est réduite par la présence d'alcalis à des valeurs semblables (5 à 100 cpm).

[0006] Le document US 2009/0242201 A1 décrit un procédé permettant de contrôler la concentration de polymère et donc la viscosité de la solution d'injection en fonction du puits. Dans ce procédé, une solution mère de polymère est préparée avant d'être répartie au moyen d'une pompe vers différents sites d'injection. Ce n'est qu'à ce stade que la solution mère est diluée avec de l'eau de mer pour donner la solution fille. Afin de contrôler la viscosité de la solution fille à injecter dans le puits, le débit de la solution mère est régulé à l'aide d'une deuxième pompe, avant dilution. La solution fille, obtenue après dilution, est répartie et injectée dans quatre puits au moyen de quatre autres pompes individuelles.

[0007] Les polymères hydrosolubles de hauts poids moléculaires sont sensibles à la dégradation mécanique. Celle-ci rompt les chaines et réduit la viscosité de la solution injectée. Cette réduction de viscosité peut se produire dans tout système comportant un cisaillement : pompes (spécialement les pompes centrifuges), tuyauteries, injecteurs mais surtout dans les duses.

[0008] Il est donc nécessaire de trouver une solution réduisant le cisaillement et améliorant l'efficacité du polymère.

[0009] Sur les petits puits de pétrole, une des solutions est d'utiliser une longueur du tube de diamètre inférieur à la tuyauterie de pompage augmentant la vitesse de passage et donc créant une perte de charge progressive. Les vitesses potentielles jusqu'à 10 m seconde ont peu d'effet sur la dégradation mécanique mais il faut de grandes longueurs de tuyauteries pour obtenir des pertes de charge limitées: de 50 à 200 mètres sur des installations existantes pour 10 bars de perte de charge. De plus, il est nécessaire de changer la longueur de tuyauterie durant la vie du champ pour adapter progressivement la pression d'injection à la pression de champ sans créer de fracturation.

[0010] Il n'existe pas, à ce jour, de méthode de réduction de pression entre 0 et 50 bars sans cisaillement.

[0011] La solution proposée est de remplacer la duse par une pompe volumétrique dont on contrôle le débit. Cette pompe volumétrique travaille comme un moteur et la réduction de vitesse permet de réduire le débit ainsi que la pression d'injection. Il faut pour cela utiliser un système de frein pour contrôler la vitesse de la pompe volumétrique.

[0012] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de réduction de la pression d'injection d'une solution de polymère hydrosoluble à partir d'une même pompe d'injection dans divers puits de pétrole d'un même champs en fonction de la pression de fracturation de chaque puits selon lequel on intercale, entre la pompe d'injection et chacun des puits, une pompe volumétrique principale, avantageusement réversible, dont on contrôle la vitesse au moyen d'un frein.

[0013] Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la pompe industrielle utilisée comme moteur est de type volumétrique et réversible c'est-à-dire qu'elle peut fonctionner en pompe et en moteur indifféremment, ce qui limite sa sélection industrielle aux pompes à engrenage ou à lobe.

[0014] En pratique, les pompes à engrenage, telles que celle fabriquées par exemple par les sociétés Witte pumps and technology Gmbh ou encore Coreau SA ont des débits allant en standard jusqu'à 200 m³/h pour des pressions de corps de 300 bars et des pressions différentielles de 200 bars.

[0015] Ces pompes sont construites en divers matériaux pouvant résister aux saumures injectées dans les puits de pétrole et ayant des quantités de solides dissous allant jusqu'à 200 000 ppm. Les pompes préférées sont fabriquées en duplex ou super duplex et dans les applications extrêmes en céramique.

[0016] Ces pompes sont réversibles et il s'agit donc pour un puits particulier de recevoir une solution de polymère à une pression élevée, par exemple 120 bars pour réduire celle-ci de 0 à 50 bars de manière à l'injecter dans le puits à une pression de 70 à 120 bars.

[0017] Cette pression est très variable d'un champ à un autre par exemple 40 à 250 bars mais sur un même champ, et pour une même pompe d'injection la pression différentielle d'injection entre divers puits est le plus souvent inférieure à 30 bars, exceptionnellement 50 bars.

[0018] Le débit par puits dépend évidemment du type et de la taille du puits. En particulier, on injecte dans les puits verticaux des quantités de polymères beaucoup moins importantes que dans les puits horizontaux.

[0019] En moyenne, on injecte dans un puits vertical 10 à 40 m³/h de solution de polymère et dans un puits horizontal, 50 à 300 m³/h.

[0020] La pompe à engrenage sera choisie en fonction :

• Du débit maximum prévu de l'injection
• La pression amont qui est la pression maximum de la pompe d'injection.
• Le différentiel de pression entre les puits alimentés par cette pompe.
• La composition de la saumure qui déterminera le matériau à utiliser pour le corps, les rotors, les paliers, les joints, les garnitures.
• La longévité de la pompe qui déterminera sa vitesse de rotation, en particulier, les vitesses de rotation seront limitées pour réduire au minimum l'entretien dans les applications sous-marines.

[0021] La pompe utilisée comme moteur devra être freinée de manière à réduire le débit et donc la pression d'injection.

[0022] Le type de frein utilisé devra être mécanique ou électrique en éliminant les systèmes à frottement qui ont une longévité limitée.

[0023] La sélection de ce frein dépendra des conditions d'utilisation et des possibilités de dissipation de la chaleur générée.

[0024] Dans un premier mode de réalisation, le puits est un puits sous marin et le frein se présente sous la forme d'une pompe volumétrique alimentée en eau de mer et connectée à l'arbre moteur de la pompe volumétrique principale, le débit de la pompe volumétrique servant de frein étant régulé par une vanne située en aval de ladite pompe dont la fermeture et l'ouverture est gérée en fonction de la pression d'injection décidée pour chaque puits.

[0025] Plus précisément, en conditions sous marines les quantités d'eau de refroidissement sont illimitées. Dans ce cas, on choisira une pompe volumétrique comme frein. L'arbre moteur de la pompe principale sera connecté à une autre pompe volumétrique servant de frein, par exemple à engrenage, dont le débit sera régulé par une vanne de décharge. Pour limiter la taille, cette pompe sera à pression élevée, par exemple 200 bars et son volume de pompage pour créer une perte de charge maximum de 50 bars sera dans ces conditions inférieur au débit principal. Cette pompe sera alimentée en eau de mer par l'intermédiaire d'un filtre par exemple de taille 20 microns ou deux filtres en parallèle nettoyés successivement à contrecourant par de l'eau filtrée.

[0026] La régulation de l'ensemble se fera par une mesure de pression à l'injection agissant directement sur la fermeture de vanne de la pompe frein.

[0027] Evidemment d'autres types de pompes volumétriques peuvent être utilisés comme frein et en particulier des pompes non réversibles: pompes à piston, pompes types Moineau haute pression...

[0028] Dans un second mode de réalisation, le puits est un puits terrestre et le frein est un frein électrique.

[0029] Plus précisément, en conditions terrestres, dans la plupart des cas, les conditions locales ne permettent pas d'avoir accès à des quantités d'eau suffisantes permettant d'utiliser un frein par pompe. Dans ce cas, on utilise un frein électrique type Telma®, par exemple, c'est-à-dire un système de freinage à courants de Foucault intégrant un refroidissement par ventilation interne.

[0030] Ce système est largement utilisé pour le freinage des camions.

[0031] Le choix de la pompe principale se fera dans ces cas à une vitesse supérieure pour rester dans la plage d'efficacité du frein Telma® à 300 - 500 tours minute. Il sera possible aussi de multiplier la vitesse par des engrenages pour travailler à des vitesses plus élevées c'est-à-dire jusqu'à 3000 tours/minute. Le choix de la taille du frein se fait par sélection dans la gamme Valéo® par exemple.

[0032] Selon l'invention, la pression d'injection du polymère est comprise entre 50 et 300 bars et la pression de fracturation des puits est de 0 à 100 bars inférieure, préférentiellement de 0 à 50 bars.

[0033] L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples de réalisation suivants, à l'appui des figures annexées.

La figure 1 est une courbe montrant l'impact de la perte de viscosité d'une solution de polymère en fonction du cisaillement dans une duse Cameron® de débit 100 m³/h.

La figure 2 est une représentation schématique de principe d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention.

La figure 3 est une représentation schématique d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention selon un premier mode de réalisation.

La figure 4 est une représentation schématique d'une installation mettant en oeuvre le procédé de l'invention selon un second mode de réalisation.

[0034] La figure 1 montre, la chute de viscosité qui peut être très importante, et ce, quelle que soit la concentration de polymère injectée.

[0035] Sur la figure 2, on a représenté le principe général de l'installation mettant en oeuvre le procédé. Pour l'essentiel, la solution de polymère est injectée dans les différents puits 1, 2 et 3 (P1, P2, P3) à partir d'une pompe d'injection unique (4) par le biais de canalisations distinctes (5, 6, 7). Les duses présentes classiquement sur ces canalisations sont remplacées selon l'invention par des pompes volumétriques (8, 9, 10) dont la vitesse est contrôlée par un frein non représenté. Ce système permet de contrôler la pression d'injection de la solution de polymère à partir de la pompe (4) à une pression par exemple de 120 bars, en fonction de la pression de fracturation de chacun des puits par exemple de 80 à 120 bars.

[0036] Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un premier mode de réalisation de l'installation qui est reproduit sur chaque canalisation (5, 6, 7). Ce type d'installation est plus particulièrement utilisé pour l'extraction sous marine de pétrole. Dans cette hypothèse, la pompe volumétrique principale (8) est connectée (11) par son arbre moteur à une seconde pompe volumétrique (12) alimentée par le biais d'une canalisation (13) dans laquelle circule de l'eau de mer. En aval de la pompe (12) est située une vanne de décharge (14) controlée par un manomètre (15) détectant la pression de fracturation du puits dans lequel doit être injectée la solution de polymère. En fonction de la pression de fracturation détéctée, la vanne de décharge (14) est plus ou moins fermée, ce qui permet ainsi de ralentir le débit de la pompe principale (8) par freinage de son arbre moteur par le biais de la pompe (12).

[0037] La configuration illustrée sur la figure 4 correspond à une installation terrestre. Dans ce cas, la pompe principale (8) n'est plus freinée mécaniquement par une seconde pompe volumétrique mais au moyen d'un frein (16) par exemple du type Telma® alimenté par une batterie (17). Le freinage reste fonction de la pression de fracturation détectée au niveau du puits au moyen d'un manomètre (15).

Exemple 1 :

[0038] Un champ sur terre a les caractéristiques suivantes :

• Nombre de puits d'injection : 12
• Types de puits : verticaux
• Saumure injectée : 12 000 ppm de solide dissous
• H₂S : 15 ppm
• Température 55°C
• Débit maximum par puits prévu 32m³/h
• Pression de la pompe d'injection 110 bars
• Pression d'injection du puits à pression plus faible : 80 bars
• Concentration du polymère 900 ppm (Polyacrylamide type 3230S à 30 % d'anionicité et de poids moléculaire 20 moles)
• Viscosité de pompage 12,6 cps.

[0039] Dans ce cas, la réduction de pression sera constituée de pompes à engrenage :

• Pression du corps : 150 bars
• Construction Duplex
• Débit maximum : 35m³/h
• Cylindrée de la pompe : 2 litres
• Vitesse maximum : 500 tours minute

[0040] L'arbre de la pompe est monté sur frein Telma® permettant une variation de 500 à 300 tours minute, c'est-à-dire de 36 à 21 m³/h.

[0041] La prise d'échantillon d'une solution de polymère avec une perte de charge de 40 bars donnera les résultats suivants :

• Viscosité avant la pompe : 12,6 cps (Brookfield Grpm)
• Viscosité après la pompe : 11,4 cps

[0042] Dans le cas d'utilisation d'une duse à perte de charge 40 bars, la viscosité serait de l'ordre de 5 cps réduisant fortement l'effet de récupération assistée.

Exemple 2 :

[0043] Dans une application sous marine, le champ à les caractéristiques suivantes :

• Nombre de puits injecteurs: 4
• Type de puits : horizontaux
• Saumure injectée : 50 000 ppm de solide dissous
• H₂S : 40 ppm
• Température d'eau d'injection en fond de mer 45°C
• Débit maximum par puits : 100 m³/h
• Pression maximum d'injection au niveau de la duse : 120 bars
• Pression minimum d'injection : 90 bars pour le puits de pression de fracturation la plus faible.

[0044] Dans ce cas, la pompe à engrenage utilisée comme moteur aura les caractéristiques suivantes :

• Pression de corps : 200 bars
• Construction Duplex
• Débit maximum : 110 m³/h
• Cylindrée de la pompe : 5,5 litres
• Vitesse maximum de la pompe : 300 tours minute

[0045] L'arbre de la pompe est solidarisé avec une autre pompe à engrenage de caractéristiques suivantes :

• Pression de calcul : 200 bars
• Débit : 60 m³/h
• Cylindrée : 2 litres
• Construction super duplex
• Vitesse de rotation maximum : 500 tours minute

[0046] Une vanne de décharge après la seconde pompe est contrôlée par la pression d'injection sur le puits et permet de réduire le débit de manière à freiner la pompe principale de 300 à 200 tours minute réduisant le débit de 100 à 66 m³/h sur le puits à plus faible pression de fracturation.

[0047] La pompe est alimentée à travers deux filtres à décolmatage à contre courant et utilisant la pression de la pompe frein pour le nettoyage de ces filtres l'un après l'autre.

[0048] Le principe de ce procédé peut recevoir diverses variantes et en particulier utiliser la puissance de la pompe principale pour récupérer de l'électricité par l'intermédiaire d'un alternateur ou d'une dynamo. Il est possible aussi d'utiliser un compresseur à air comme frein et réguler la pression par la fuite d'air engendrée.
L'homme de l'art sera capable d'adapter toutes les méthodes techniques nécessaires à cette réalisation.

Revendications

1. Procédé de réduction de la pression d'injection d'une solution de polymère hydrosoluble à partir d'une même pompe d'injection dans divers puits de pétrole d'un même champs en fonction de la pression de fracturation de chaque puits selon lequel, on intercale entre la pompe d'injection et chacun des puits, une pompe volumétrique principale, dont on contrôle la vitesse au moyen d'un frein.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe volumétrique principale est réversible.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe volumétrique est une pompe à engrenage

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le puits est un puits sous marin et en ce que le frein se présente sous la forme d'une pompe volumétrique alimentée en eau de mer et connectée à l'arbre moteur de la pompe volumétrique principale, le débit de la pompe volumétrique servant de frein étant régulé par une vanne située en aval de ladite pompe dont la fermeture et l'ouverture est gérée en fonction de la pression d'injection décidée pour chaque puits.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le frein se présente sous la forme d'une pompe volumétrique réversible à engrenage.

6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le frein se présente sous la forme d'une pompe à piston non réversible.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le puits est un puits terrestre et ce que le frein est un frein électrique.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le frein électrique est un système de freinage à courants de Foucault intégrant un refroidissement par ventilation interne.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression d'injection du polymère est comprise entre 50 et 300 bars et en ce que la pression de fracturation des puits est de 0 à 100 bars inférieure.

Dessins