FR3014475B1 - Injection d'un fluide dans un reservoir d'hydrocarbures - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif (50) de régulation du débit d'un fluide dans un puits de réservoir d'hydrocarbures, comprenant une entrée de fluide (62), une sortie de fluide (64), un stator (52), un rotor (54) monté en rotation par rapport au stator selon un axe allant de l'entrée de fluide vers la sortie de fluide, le stator et le rotor formant des cavités progressantes depuis l'entrée de fluide vers la sortie de fluide lorsque le rotor est mis en rotation par rapport au stator, et un système de régulation (56) de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator. Le dispositif permet une régulation du débit d'un fluide dans un puits de réservoir d'hydrocarbures améliorée.

Description

INJECTION D’UN FLUIDE DANS UN RESERVOIR D’HYDROCARBURES

La présente invention concerne un dispositif de régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures, ainsi qu’une installation de production d’hydrocarbures comprenant le dispositif, un procédé d’injection d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures utilisant le dispositif, et un procédé de production d’hydrocarbures comprenant le procédé d’injection.

On connaît l’utilisation de solutions de polymère, notamment de polyacrylamide, dans le cadre de la récupération assistée des hydrocarbures contenus dans une formation souterraine (technique dite «EOR», pour « Enhanced Oil Recovery »). Ainsi, après les opérations de récupération d’hydrocarbures au moyen de la pression naturelle du gisement, dite « primaire », voire par injection d’eau ou de gaz (« récupération secondaire ») pour maintenir la pression de la formation souterraine, on procède généralement à une récupération d’hydrocarbures pouvant être qualifiée de« secondaire » ou « tertiaire » en fonction des étapes antérieures effectivement mises en œuvre, au cours de laquelle on injecte une solution de polymère dans la formation souterraine par un ou plusieurs puits d’injection, et on extrait un mélange d’hydrocarbures et de solution de polymère par un ou des puits de production. On préfère utiliser une solution de polymère, et non de l’eau, en raison de la mobilité souvent trop grande de l’eau par rapport à celle de l’huile en place dans la formation souterraine : l’efficacité du balayage est améliorée en ajoutant du polymère à l’eau d’injection, de même que les conditions de production, par exemple du fait d’un pourcentage d'eau produite réduit dès lors que la viscosité de l’huile en place est supérieure à celle de l’eau. On obtient ainsi un taux de récupération de l’huile en place plus important sur la durée de production, et notamment au moment où il est communément décidé d'arrêter la production, par exemple du fait d’un pourcentage d'eau produite trop élevé rendant l’exploitation non économique.

Le débit d’une telle injection de fluide peut de manière avantageuse être régulé par un dispositif de régulation prévu à cet effet.

Par exemple, lorsque plusieurs puits d’injection sont utilisés, il est généralement nécessaire d’opérer à des pressions différentes selon les puits, afin de s’adapter à la configuration locale de la formation souterraine, et de corriger les effets de l’hétérogénéité de ladite formation souterraine. Or, plusieurs puits d’injection (ou tous les puits d’injection) sont généralement alimentés en fluide par une même source de solution de polymère. Il est donc nécessaire de réguler le débit pour chaque puits d’injection, notamment dans le cadre de l’exploitation en mer (en offshore).

On connaît divers dispositifs, sous forme de systèmes fixes, par exemple des plaques à orifices interchangeables de manière à adapter la section de passage du fluide au besoin, ou bien sous forme de vannes de contrôle, prévus pour une telle régulation.

Par exemple, la société Cameron Willis propose un modèle de vanne de contrôle qui consiste en une cage percée de trous. L’entrée du fluide s’effectue sur le pourtour de la cage, et la sortie se trouve au centre de la cage. La surface accessible pour l’entrée du fluide est ajustée par un piston mobile se déplaçant parallèlement à l’axe de la cage. Pour un débit donné, la perte de charge (i.e. de pression) subie par le fluide en traversant cette vanne de contrôle augmente lorsque la surface accessible à l’entrée du fluide diminue. Toutefois, ce système, comme la plupart des autres systèmes opérant par cisaillement du fluide, conduit d’une part à une importante et irréversible dissipation d’énergie mécanique (pression hydraulique) en chaleur, et d’autre part à une forte dégradation des solutions de polymère utilisées pour la récupération assistée d’hydrocarbures, et par conséquent à une diminution de la viscosité de celles-ci, ce qui nuit fortement à leur efficacité.

Par ailleurs, le document US 4,510,993 décrit une vanne de contrôle de débit pour les solutions de polymère, dans laquelle le débit est régulé par une aiguille pénétrant dans un orifice. Le document indique que les polymères ne sont pas dégradés tant que le débit ne dépasse pas 30 gallons/min, soit 7 m3/h. Toutefois, il est connu qu’une telle géométrie (type vanne pointeau) opère aussi par cisaillement et donc dégrade elle aussi l’énergie hydraulique et la viscosité du fluide qu’elle « lamine». Ainsi, la dégradation des solutions de polymère dans ce type de système devient élevée à des débits, plus réalistes, de Tordre de 100 m3/h. En outre un tel système présente des risques importants d’usure mécanique.

Le document US 3,477,467 décrit une vanne de contrôle de débit appropriée pour une solution de polymère, dans laquelle la perte de charge est obtenue en faisant passer la solution de polymère dans un tube vertical rempli de sable ou de billes. L’ajustement de la quantité de sable ou de billes permet de réguler le débit. Toutefois, ce système présente également l’inconvénient de dégrader irréversiblement l’énergie hydraulique du fluide ainsi que la viscosité des solutions de polymère, et il présente également des risques importants d’usure mécanique de la vanne et d’endommagement du milieu poreux avec le temps. De plus, sa mise en œuvre est difficile.

Le document US 4,617,991 propose un système de contrôle de débit comprenant un dispositif actionné par le transport d’une solution de polymère, tel qu’une pompe hydraulique ou un moteur. Le système permet d’éviter la dégradation d’une solution de polymère à faible débit (au plus 1,3 m3/h environ). Toutefois, il ne permet pas d’éviter le phénomène de dégradation à un débit plus élevé. En effet, bien que l’énergie soit dissipée à l’extérieur plutôt qu’à l’intérieur de la conduite, la dégradation reste fonction de la géométrie du système de dissipation à l’intérieur de la conduite. La géométrie du système de contrôle n’est par ailleurs pas optimisée pour une ligne d’injection d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures. Enfin, ce système n’est pas optimal du point de vue du bilan énergétique de l’installation pétrolière.

Le document US 4,276,904 décrit un appareil permettant de modifier un débit de fluide en faisant passer le fluide dans un nombre limité de tubes de différentes longueurs et différents diamètres. La perte de charge, obtenue là encore par cisaillement du fluide, due cette fois à la friction régulière du fluide sur la paroi interne des tubes, est ajustée en faisant passer le fluide dans une des combinaisons entre les différents tubes. Ce système est volumineux, difficile à mettre en œuvre (l’appareil comprend notamment un grand nombre de vannes, qu’il faut actionner indépendamment, à la sortie de chacun des tubes) et peu flexible (c'est-à-dire qu’il permet difficilement un ajustement fin de la perte de charge et du débit). Un tel système ne peut pas permettre de créer une perte de charge suffisante à un débit élevé. De plus, cette solution entraîne elle aussi une dégradation irréversible d’énergie hydraulique en chaleur et de la viscosité du fluide.

Le but de la présente invention est de fournir un dispositif de régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures palliant au moins partiellement les inconvénients précités.

Plus particulièrement, l’invention vise à fournir un dispositif permettant une régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures facile à mettre en œuvre, présentant de faibles risques d’usure mécanique, et ne dégradant pas d’éventuels polymères contenus dans le fluide, même aux débits élevés qui sont habituels pour l’injection dans un réservoir d’hydrocarbures dans le cadre de l’EOR. A cette fin, la présente invention propose un dispositif de régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures, comprenant une entrée de fluide, une sortie de fluide, un stator, un rotor monté en rotation par rapport au stator selon un axe allant de l’entrée de fluide vers la sortie de fluide, le stator et le rotor formant des cavités progressantes depuis l’entrée de fluide vers la sortie de fluide lorsque le rotor est mis en rotation par rapport au stator, et un système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator.

Suivant des modes de réalisation préférés, le dispositif comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : • le stator est en matériau déformable, de préférence élastomère ; • le stator est monté serré autour du rotor ; • le rotor est métallique, de préférence en acier chromé ; • le rotor est monté dans un logement à l’intérieur du stator, le rotor et le logement étant de forme hélicoïdale ; • les sections du rotor et du logement dans le stator présentent, respectivement, deux et trois sommets, ou, trois et quatre sommets ; • le rotor est en outre adapté à être entraîné en rotation par rapport au stator par le fluide lorsque la pression en entrée de fluide est supérieure à la pression en sortie de fluide ; • le système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator comprend un système de freinage du rotor ; • le dispositif comprend en outre un convertisseur d’énergie issue du freinage en énergie électrique, et une connectique adaptée à l’alimentation par le convertisseur d’un réseau électrique d’installation de production d’hydrocarbures ; • le système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator comprend un moteur adapté à entraîner le rotor en rotation par rapport au stator ; • le dispositif forme une pompe à rotor excentré ; et/ou • le système de régulation comprend un capteur de pression en sortie de fluide et/ou un système de comptage du débit du fluide en sortie de fluide. L’invention propose également une installation de production d’hydrocarbures comprenant une ligne d’injection de fluide dans un réservoir d’hydrocarbures, et au moins un dispositif de régulation, tel que décrit ci-dessus, monté dans la ligne d’injection de fluide, l’entrée de fluide du dispositif étant montée en amont et la sortie de fluide du dispositif étant montée en aval.

Suivant des modes de réalisation préférés, l’installation comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : • la ligne d’injection de fluide comprend au moins un puits d’injection de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures et une conduite arrivant au puits, le dispositif de régulation étant monté dans la conduite, à l’intérieur d’un faux puits ou à l’intérieur du puits d’injection ; • la ligne d’injection de fluide comprend plusieurs puits d’injection de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures, une conduite de fluide d’injection alimentant en fluide un manifold, plusieurs conduites reliant chacune le manifold à un puits d’injection respectif, et, pour chaque puits d’injection, un dispositif de régulation, tel que décrit ci-dessus, monté en aval du manifold ; et/ou • l’installation comprend en outre une pompe adaptée à alimenter la conduite de fluide d’injection avec le fluide. L’invention propose également un procédé d’injection d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures, comprenant l’alimentation en fluide de plusieurs puits d’injection de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures, et pour chaque puits d’injection, la régulation du débit d’injection du fluide dans le réservoir d’hydrocarbures avec un dispositif de régulation tel que décrit ci-dessus, indépendamment des autres puits.

Suivant des modes de réalisation préférés, le procédé comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : • le fluide comprend une solution visqueuse, de préférence contenant des polymères ; et/ou • le fluide comprend un gel de fracturation, de préférence thixotrope. L’invention propose également un procédé de production d’hydrocarbures comprenant l’injection d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures selon le procédé d’injection décrit ci-dessus, et la récupération d’hydrocarbures par au moins un puits de production débouchant dans le réservoir. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation préféré de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence au dessin annexé.

La figure 1 représente un exemple de procédé de production d’hydrocarbures.

La figure 2 représente un exemple d’installation de production d’hydrocarbures.

Les figures 3 et 4 représentent des exemples de dispositifs de régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures.

On propose un dispositif de régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures. Le dispositif comprend une entrée de fluide, une sortie de fluide, un stator, un rotor et un système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator. Le rotor est monté en rotation par rapport au stator selon un axe allant de l’entrée de fluide vers la sortie de fluide. Le stator et le rotor forment des cavités progressantes depuis l’entrée de fluide vers la sortie de fluide lorsque le rotor est mis en rotation par rapport au stator.

Ce dispositif permet une régulation du débit d’un fluide dans un puits de réservoir d’hydrocarbures facile à mettre en œuvre, particulièrement adaptée en termes de géométrie à une ligne d’injection d’un fluide débouchant dans réservoir d’hydrocarbures et comprenant un puits d’injection, ou à une ligne de production d’un fluide partant d’un puits de production et comprenant un puits de production. Le dispositif présente de faibles risques d’usure mécanique, et ne dégrade pas d’éventuels polymères contenus dans le fluide, même aux débits élevés qui sont habituels pour l’injection dans un réservoir d’hydrocarbures.

Le dispositif peut notamment être prévu pour réguler un débit d’injection de fluide dans un réservoir. En d’autres termes, le dispositif est adapté à être monté dans une ligne d’injection de fluide dans un réservoir et à contrôler le débit du fluide en aval (i.e. côté réservoir), de manière que le fluide puisse être injecté dans le réservoir à un débit souhaité. Pour cela, le dispositif comprend une entrée de fluide, une sortie de fluide, et un ensemble comprenant un stator et rotor qui forment des cavités progressantes adaptées au transport de fluide, ainsi qu’un dimensionnement adéquat. L’ensemble stator+rotor constitue ainsi un système de transfert de fluide depuis l’entrée de fluide vers la sortie de fluide, donc selon Taxe de rotation du rotor. Ainsi, le dispositif peut être monté dans une ligne d’injection alimentée en fluide et débouchant dans le réservoir, l’entrée de fluide du dispositif étant montée en amont (i.e. côté alimentation en fluide) et la sortie de fluide du dispositif étant montée en aval (i.e. côté réservoir).

Le rotor est monté en rotation par rapport au stator selon un axe de rotation qui va (sensiblement) de l’entrée de fluide vers (sensiblement) la sortie de fluide. En d’autres termes, Taxe de rotation du rotor est sensiblement longitudinal, dans la direction d’écoulement du fluide dans la ligne d’injection. Ainsi, le dispositif peut s’étendre en longueur dans la ligne d’injection, et ainsi présenter une géométrie particulièrement adaptée à la ligne d’injection. En outre, le transfert du fluide se faisant dans le sens d’écoulement, le dispositif est particulièrement adéquat pour minimiser la dégradation d’éventuelles chaînes de polymères contenues dans le fluide.

Le système de transfert de fluide permet d’assurer l’écoulement du fluide depuis l’entrée vers la sortie, et garantit ainsi l’acheminement du fluide vers sa destination. Comme le système de transfert de fluide effectue le transfert du fluide par le biais de cavités progressantes, le système de transfert de fluide est adapté à réaliser le transfert du fluide par déplacement volumétrique du fluide. Cela signifie que le système de transfert effectue le transfert du fluide depuis l’entrée de fluide vers la sortie de fluide par un déplacement de volumes constants du fluide (les volumes étant en l’occurrence définis par les cavités progressantes), ce qui est expliqué plus en détails plus bas. La régulation du débit du fluide ainsi transféré est assurée par le système de régulation, qui est en l’occurrence adapté à réguler la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator, et par conséquent la vitesse de déplacement volumétrique du fluide réalisé par le système de transfert. En d’autres termes, la rotation du rotor par rapport au stator déplace des volumes prédéterminés du fluide, et le système de régulation régule la vitesse de ce déplacement. Par exemple, le système de régulation est adapté à réguler, e.g. mécaniquement, électriquement, hydrauliquement et/ou magnétiquement, la vitesse de rotation du rotor par rapport stator. Ce système de transfert est simple à mettre en œuvre. Cela permet de réguler le débit de fluide en sortie du dispositif.

Le système de régulation peut effectuer tout type de régulation appropriée à l’injection de fluide dans un réservoir d’hydrocarbures, par exemple en vue d’une récupération assistée des hydrocarbures contenus dans le réservoir. Ces hydrocarbures peuvent contenir des huiles présentant un fort coefficient de viscosité, de quelques centipoises (cPo) (par exemple supérieur à 3 cPo, par exemple 5 cPo) à plusieurs centaines (par exemple supérieur à 100 cPo), voire milliers de centipoises (par exemple supérieur à 1000 cPo), ce qui rend l’EOR appropriée à leur production. Ainsi, le dispositif et son système de régulation peuvent être adaptés à des vitesses de rotation du rotor qui assurent des débits adaptés à l’application visée, qui peuvent aller de quasiment zéro à une valeur très élevée qui, dans l’exemple d’injection de fluide dans un réservoir à des fins d’EOR, peut dépendre entre autres des propriétés de la roche réservoir et de l’hydrocarbure visé, ainsi par exemple des débits supérieurs à 10 m3/h, par exemple de Tordre de 100 m3/h par puits d’injection.

Le système de régulation peut assurer un débit d’injection constant, que Ton peut éventuellement étalonner à l’avance, ou variable (i.e. dynamiquement modifiable, e.g. par contrôle à distance ou automatiquement). Dans tous les cas, le débit d’injection peut être plafonné par des considérations sur les composants matériels du dispositif. En outre, le débit d’injection peut présenter une borne inférieure liée à la pression avec laquelle le fluide alimente l’entrée du dispositif. Différents exemples de composants du système de régulation sont décrits en détails plus bas.

Le système de régulation peut assurer un débit d’injection variable en agissant de manière variable sur la vitesse de rotation du rotor. Dans ce cas, différentes version du même dispositif peuvent être utilisées pour différents cas de figures où le débit d’injection souhaité est différent. Cela permet également d’optimiser le débit d’injection en fonction des conditions du réservoir, par exemple des conditions de production d’hydrocarbures. Par exemple, le système de régulation peut réguler la vitesse en fonction des caractéristiques physiques et/ou géologiques du réservoir, ou encore des besoins de bonne gestion de la production de ce réservoir d’hydrocarbures. Notamment, dans le cas de l’EOR, le système de régulation peut réguler la vitesse en fonction de critères fournis au dispositif visant à assurer une efficacité du balayage optimale de l’huile en place dans le réservoir. Ces critères, par exemple la pression d’injection qui va varier avec le débit injecté dans le puits d’injection en communication avec le réservoir, peuvent être déterminés au préalable par les études menées conjointement par une équipe géosciences (comprenant géophysicien, géologue, ingénieur réservoir, géomécanicien) et une équipe spécialisée dans le fonctionnement et la performance des puits.

Comme cela a déjà été mentionné, grâce aux cavités progressantes, le système de transfert de fluide est adapté à réaliser le transfert du fluide par déplacement volumétrique du fluide. En d’autres termes, le système de transfert admet le fluide arrivant en entrée par éléments de volume successifs dont il définit lui-même la dimension de par sa propre conception, par exemple avec des parois physiques, éléments qu’il déplace ensuite, à volume constant (même si la forme des éléments de volume peut être modifiée), vers la sortie. Comme cela pourra être apprécié par l’homme du métier, lors de ce déplacement, le volume peut ne pas être parfaitement constant, mais plutôt sensiblement constant, en ce sens qu’il peut y avoir des débits de fuite entraînant de faibles variations du volume, par exemple dues à des déformations mécaniques du dispositif sous l’action des forces de pression mise en jeu lors de ce déplacement.

Le concept de déplacement volumétrique est connu du domaine des pompes volumétriques. Une pompe volumétrique est en effet une pompe réalisant un déplacement volumétrique de fluide, par une action mécanique exécutée par un mécanisme fournissant de l’énergie mécanique positive à la pompe. Comme nous le verrons plus bas, le dispositif peut former ou comprendre une pompe volumétrique, mais il peut également ne comprendre que la partie de la pompe volumétrique n’incluant pas le mécanisme fournissant de l’énergie mécanique positive. Ainsi, le dispositif peut dans les deux cas correspondre à une pompe volumétrique, en ce sens qu’il peut dans les deux cas comprendre le système de transfert de la pompe volumétrique, c’est-à-dire la partie de la pompe volumétrique assurant le déplacement volumétrique (sans pour autant comprendre le mécanisme fournissant de l’énergie mécanique positive). Le système de transfert peut ainsi être celui d’une pompe volumétrique à cavités progressantes, et en particulier d’une pompe hélicoïdale à cavités progressantes à rotor excentré (communément appelée aussi pompe « Moineau » du nom de son inventeur), la plus adaptée à la géométrie des lignes d’injection ou de production des installations de production d’hydrocarbures.

Contrairement aux solutions de l’art antérieur qui régulent le débit d’injection du fluide par dusage (i.e. par restriction de la section du conduit dans lequel le fluide s’écoule), le dispositif régule le débit d’injection par un déplacement volumétrique dont la vitesse est régulée. Ainsi, le fluide subit moins de contraintes de cisaillement et subit une création d’entropie réduite en comparaison avec les solutions opérant à un dusage par restriction de la section du conduit. Le fluide est donc moins dégradé. Cela est particulièrement avantageux dans le cas où le fluide est une solution de polymère. Le dispositif peut en effet réguler le débit d’injection sans dégrader les chaînes polymériques, et ce aux débits relativement élevés envisagés pour l’EOR. Par ailleurs, puisqu’il suffit de réguler la vitesse de rotation du rotor pour réguler le débit d’injection, le système est simple à mettre en œuvre et relativement peu volumineux, d’autant plus qu’il peut s’étendre en longueur dans la ligne d’injection. Par ailleurs, dans le cas de l’utilisation d’une pompe à cavités progressantes, et en particulier de type « Moineau », le mode de déplacement du fluide permet d’obtenir un débit d’injection régulier, voire constant, donc sans à-coups hydrauliques comme il en existe, par exemple, dans le cas classique d’utilisation de pompes doseuses à piston à mouvement de translation alternatif. Cet avantage est particulièrement appréciable pour prolonger la durée de vie des équipements, la qualité des fluides et l’efficacité des procédés mis en œuvre.

Le stator peut être en matériau déformable, de préférence élastomère pour une réalisation simple. Grâce à ce matériau, le stator peut être monté serré autour du rotor (i.e. le stator exerce une pression sur le rotor à l’état de repos), contrairement aux pompes traditionnelles à stator indéformable qui nécessitent un jeu rigide afin d’assurer la lubrification du système. En effet, de par sa déformabilité, le stator se déforme en cours de fonctionnement, ce qui assure la lubrification par création temporaire d’un jeu avec entre le stator et le rotor. Cela permet une adaptabilité du dispositif à une viscosité potentiellement fluctuante du fluide. En outre, le fluide subit encore moins de cisaillement, et le dispositif effectue un transfert du fluide plus efficace.

Dans cet exemple, le débit d’injection ainsi obtenu est indépendant de la viscosité du fluide. Egalement, le dispositif a une meilleure durée de vie, subissant moins d’usure due à des frottements avec le fluide et étant plus tolérant à la présence de fortes proportions de particules solide. Un tel dispositif, du fait de ses facultés exceptionnelles pour le transfert de fluide très visqueux (jusqu’à plusieurs milliers de centipoises) et de fluides chargés de fortes proportions de solides (jusqu’à plusieurs dizaines de %vol), permet d’envisager des applications additionnelles, par exemple l’injection de gels visqueux, e.g. de fracturation, e.g. avec une viscosité supérieure à 1000 centipoises (e.g. aux alentours de 5000 centipoises), par exemple des gels thixotropes, tels qu’utilisés pour la fracturation hydraulique des roches au fond des puits. De plus, ces gels peuvent être chargés de particules solides, dits agents de soutènement (en anglais, « proppants »), destinées à maintenir ouvertes les fracturations créées dans la roche par le fluide injecté.

Le rotor peut quant à lui être métallique, par exemple en acier chromé, pour une grande durée de vie et une bonne solidité.

Le rotor peut en outre être adapté à être entraîné en rotation par rapport au stator par le fluide lorsque la pression en entrée de fluide est supérieure à la pression en sortie de fluide. Cela signifie que l’énergie nécessaire au déplacement du fluide depuis l’entrée vers la sortie peut provenir d’une pression plus grande en entrée de fluide qu’en sortie de fluide. En effet, même si, lorsque le dispositif est monté dans une ligne d’injection telle que mentionnée précédemment, la sortie de fluide est côté réservoir et donc soumise à la pression régnant dans le réservoir, la ligne d’injection peut, comme on le verra plus tard plus en détails, être alimentée par une pompe délivrant une pression plus importante que la pression du réservoir. Ainsi, le dispositif utilise judicieusement ce différentiel de pression pour déplacer le fluide.

Dans ce cas, le système de régulation de la vitesse de rotation du rotor peut comprendre un système de freinage du rotor. Le différentiel de pression peut, en l’absence de tout freinage, entraîner le rotor en rotation par rapport au stator à une certaine vitesse, impliquant une vitesse correspondante de déplacement volumétrique. Le système de freinage permet de réduire cette vitesse, et donc de réguler le débit d’injection. Avantageusement, le système de freinage peut exercer un freinage variable (i. e. exercer différentes forces de freinage, modifiables dynamiquement), ce qui permet de réguler de manière dynamique le débit d’injection. Le freinage peut être asservi à la pression en entrée et/ou à la pression de sortie de fluide du dispositif, qui peut être connue ou mesurée par un capteur prévu à cet effet. Le freinage peut également ou alternativement être asservi à la vitesse de déplacement du rotor, en vue de délivrer le débit d’injection souhaité. Cela est possible par exemple si le dispositif comprend un système de comptage de cette vitesse. Plus généralement, le dispositif peut comprendre un système de comptage du débit du fluide en sortie de fluide, i.e. le débit d’injection dans l’application d’injection de fluide. L’énergie mécanique extraite au fluide en écoulement, résultant du freinage, peut donc être dissipée à l’extérieur du dispositif, ce qui a l’avantage d’éviter Réchauffement de fluide qui dégraderait le fluide et sa viscosité (notamment en présence de solution de polymère). Toutefois, le dispositif peut comprendre un système de récupération d’énergie mécanique résultant du freinage du rotor, e.g. la convertissant par exemple en énergie électrique (i.e. un convertisseur d’énergie issue du freinage en énergie électrique). Cela est possible grâce au caractère réversible de la régulation de débit effectuée par le dispositif, dont le principe est basé sur un déplacement volumétrique et donc sensiblement isentropique. Cela permet d’optimiser le fonctionnement d’un point de vue énergétique, car l’énergie ainsi récupérée peut être utilisée ultérieurement, par exemple pour alimenter le système de régulation. Par exemple, le système de freinage peut comprendre une machine, par exemple, électrique synchrone, adaptée à produire de l’énergie, c’est-à-dire fonctionnant en « génératrice ». Le convertisseur d’énergie peut par exemple comprendre une machine dynamoélectrique, e.g. participant au freinage.

En outre, le dispositif peut comprendre une connectique adaptée à l’alimentation par le convertisseur d’un réseau électrique d’installation de production d’hydrocarbures. En d’autres termes, le dispositif est adapté, via la connectique qui comprend de manière classique des connecteurs électriques, à fournir l’énergie électrique récupérée à la suite du freinage à un réseau électrique desservant l’installation de production d’hydrocarbures dont fait partie le puits dont le débit de fluide est régulé par le dispositif. Cela permet une optimisation des dimensionnements de l’installation, notamment en termes de sources énergétiques.

Le système de régulation de la vitesse du déplacement volumétrique du fluide peut en outre ou alternativement comprendre un moteur, e.g. synchrone, adapté, par réversibilité le cas échéant, à entraîner le rotor en rotation par rapport à la partie stationnaire. Dans ce cas, le dispositif forme une motopompe volumétrique. Cela permet d’alimenter la ligne d’injection avec une moindre pression, lorsqu’une pompe telle que mentionnée plus haut est utilisée à cet effet. Le même moteur peut également être adapté à réaliser le freinage mentionné ci-dessus.

Ainsi, le moteur peut être synchrone et contrôlé par un variateur de tension, e.g. allié à un freinage, qui peut être soit rhéostatique, soit magnétique ou encore à courant de Foucault. Dans tous les cas, l’énergie du freinage peut être récupérée vers un réseau électrique, et/ou pour participer à l’alimentation électrique du dispositif. Le cas échéant on peut prévoir une réserve de stockage de l’énergie ainsi produite avec le freinage. La réserve de stockage peut prendre la forme d’une batterie si l’énergie est récupérée sous forme électrique, d’un relevage d’un poids ou compression d’un ressort, si l’énergie est récupérée sous forme mécanique, ou d’une cuve de gaz comprimé si l’énergie est récupérée sous forme hydraulique. La réserve peut être utilisée comme « tampon » pour faciliter la régulation de l’ensemble, par exemple en tant que fournisseur d’énergie complémentaire disponible pour un démarrage.

Le dispositif peut être compris dans une installation de production d’hydrocarbures comprenant une ligne d’injection de fluide dans un réservoir d’hydrocarbures telle qu’évoquée précédemment. Le dispositif de régulation est alors monté dans la ligne d’injection de fluide, l’entrée de fluide du dispositif étant montée en amont et la sortie de fluide du dispositif étant montée en aval. Line telle installation permet une récupération des hydrocarbures contenus dans le réservoir assistée par une injection de fluide, contenant éventuellement une solution de polymère, avec un débit d’injection régulé de manière précise, sans dégrader les éventuels polymères de la solution. Ainsi, une solution moins concentrée peut être utilisée, ce qui permet une production optimisée et moins coûteuse d’hydrocarbures.

La figure 1 montre un exemple d’un tel procédé de production d’hydrocarbures utilisant le dispositif.

Le procédé de l’exemple comprend un procédé d’injection (S10, S20) d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures en utilisant le dispositif. Le fluide peut être une solution visqueuse, en particulier une solution de polymère. L’ajout de polymère permet, en effet, d’augmenter la viscosité de la solution par rapport à celle de l’eau, de quelques centipoises à plusieurs dizaines de centipoises, pour approcher la viscosité de l’huile en place dans un réservoir d’hydrocarbures, afin de créer une résistance à l'écoulement pour améliorer le balayage par injection d’eau viscosifiée dans lesdits réservoirs d’hydrocarbures. L’utilisation du dispositif permet non seulement de réguler le débit d’injection de manière précise, mais également de ne pas dégrader les polymères éventuellement présents dans le fluide. Le procédé de production comprend également la récupération S30 d’hydrocarbures par au moins un puits de production débouchant dans le réservoir. La récupération S30 est améliorée grâce à l’injection (S 10, S20), comme cela est connu de la technique de l’EOR par injection de produits chimiques (tels que polymères, biopolymères, associés ou non à des tensio-actifs, etc). Le procédé est exécuté de manière continue, de sorte que l’injection (S10, S20) est sensiblement simultanée à la récupération S30, la figure 1 n’étant qu’illustrative quant à Tordre des étapes.

Dans l’exemple, l’injection comprend l’alimentation S10 en fluide de plusieurs puits d’injection de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures. L’injection comprend également, pour chaque puits d’injection, la régulation S20 du débit d’injection du fluide dans le réservoir d’hydrocarbures avec le dispositif, indépendamment des autres puits. Le procédé utilise donc une version différente du même dispositif par puits. Ainsi, la régulation S20 du débit d’injection peut se faire pour chaque puits indépendamment des autres puits (i.e. les débits d’injection peuvent être différents). La régulation est donc adaptée aux conditions de chacun des puits, et la récupération S30 globale est donc améliorée, avec une moindre dégradation des polymères, une moindre consommation, et une économie globale améliorée.

La figure 2 représente une installation 20 de production d’hydrocarbures comprenant le dispositif adaptée à effectuer le procédé de la figure 1. L’installation 20 comprend une ligne d’injection de fluide, constituée de plusieurs conduites dans lesquelles le fluide d’injection s’écoule. La ligne d’injection comprend notamment plusieurs puits d’injection 38 de fluide débouchant dans le réservoir 26 d’hydrocarbures. Trois puits d’injection 38 sont représentés sur la figure, mais tout nombre convenant à une couverture optimale du réservoir 26 est envisageable pour tenir compte de la complexité géologique du réservoir, de la qualité des fluides présents dans le réservoir, de la localisation géographique du réservoir (à terre, en mer, en mer très profonde), et des contraintes inhérentes. La ligne d’injection comprend une conduite de fluide d’injection 34 alimentant en fluide un manifold 40. La conduite de fluide d’injection 34 est une conduite principale recevant le fluide et le distribuant vers tous les puits d’injection 38 forés dans le réservoir 26 via un manifold (ici le manifold 40), faisant office de distributeur. La conduite de fluide d’injection 34 se situe sur un fond marin 24, et est alimentée par un « riser » 32 (i.e. une conduite sensiblement verticale) provenant d’une station principale, e.g. en l’occurrence une unité flottante de production, de stockage et de déchargement 28 (connue sous le sigle FPSO, pour « Floating Production Storage and Offloading ») située à la surface marine 22. La conduite de fluide d’injection 34 est plus particulièrement alimentée en fluide par une pompe principale 42 située sur le FPSO 28. L’installation 20 est en effet pour une application en haute mer (« offshore »), mais le principe reste le même pour une application terrestre, auquel cas, en l’absence de FPSO et de riser, la conduite de fluide d’injection serait directement alimentée par la pompe principale.

La ligne d’injection comprend également plusieurs conduites 36 reliant chacune le manifold 40 à un puits d’injection 38 respectif. Chaque puits 38 est relié à une tête de puits 44 respective installée sur le fond marin 24. Et pour chaque puits d’injection, un dispositif de régulation 50 respectif est monté en aval du manifold 40, l’entrée de fluide en amont et la sortie de fluide en aval. Ainsi, l’installation 20 conserve une infrastructure optimale, avec une seule conduite de fluide d’injection 34, un manifold 40 distribuant le fluide d’injection vers plusieurs puits 38 forés jusqu’au réservoir 26, tout en permettant une régulation du débit d’injection du fluide au cas par cas, selon le puits 38 considéré, et sans dégradation de polymères éventuellement contenus dans le fluide d’injection et sans consommation excessive d’énergie hydraulique (entropie créée minimale), grâce à l’attribution à chaque puits 38 du dispositif 50. Les dispositifs 50 peuvent en effet réguler le débit d’injection localement, indépendamment les uns des autres.

Les dispositifs de régulation 50 peuvent en particulier être montés dans les conduites 36. Cela permet une mise en œuvre simple. Notamment, les dispositifs 50 peuvent être montés à l’intérieur d’un faux puits, non représentés sur la figure. Cela permet de diminuer l’empreinte surfacique de l’installation 20. En effet, dans le contexte de l’EOR, pour les débits visés, le dispositif de régulation décrit peut être relativement volumineux, et présenter par exemple une longueur supérieure à 1 mètre, e.g. de Tordre de la dizaine de mètres. Faire passer les conduites 36 dans un faux puits et monter les dispositifs 50 dans les conduits 36, à l’intérieur des faux puits permet donc une meilleure utilisation de l’espace que ce soit en offshore où disposer d’espace nécessite des infrastructures coûteuses, ou bien « onshore » où des contraintes environnementales peuvent conduire à préférer mettre des équipements dans des puits creusés dans le sol.

Il est maintenant fait référence aux figures 3 et 4 qui illustrent un exemple du dispositif de régulation du débit d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures décrit ci-dessus, et pouvant donc être utilisé dans les procédés d’injection de fluide et de production d’hydrocarbures décrits, notamment le procédé de la figure 1, et pouvant être compris dans une installation de production d’hydrocarbures, notamment l’installation 20 de la figure 2. Une telle configuration du dispositif permet une régulation relativement très précise du débit d’injection, avec relativement très peu de dégradation du fluide et très peu de dégradation d’énergie mécanique.

La figure 3 montre le dispositif de régulation 50 de l’exemple, comprenant le stator 52 et le rotor 54, monté en rotation par rapport au stator 52. Dans l’exemple, le rotor 54 est monté à l’intérieur du stator 52 dans un logement que l’on peut voir grâce à la vue ouverte du stator 52 représentée sur la figure. Comme on peut le voir sur la figure, le rotor 54 et le logement sont de forme hélicoïdale. Par ailleurs, le système de régulation de la vitesse du rotor 54 comprend le moteur 56, qui peut être synchrone et être adapté à entraîner le rotor 54 en rotation par rapport au stator 52. Ainsi, le dispositif 50 forme une pompe volumétrique à engrenages hélicoïdale à rotor excentré, en particulier une pompe de type « moineau » dans l’exemple illustré. Les formes hélicoïdales du rotor 54 et du logement (stator) sont telles que des cavités progressantes 58, représentées remplies d’un volume de fluide sur la figure, sont formées et déplacent le fluide depuis l’entrée de fluide 62 vers la sortie de fluide 64, qui définissent l’axe de rotation du rotor 54. L’écoulement du fluide est représenté par des flèches 66 sur la figure. Une telle pompe permet d’effectuer un écoulement du fluide particulièrement adapté à une solution de polymère. En effet, le dispositif 50 occasionne peu de dégradation des chaînes de polymère, et est à la fois précis et résistant à des débits d’injection (donc des vitesses de rotation du rotor) importantes, par exemple plusieurs centaines de tours par minute.

Par ailleurs, dans l’exemple, le rotor 54 est adapté à être entraîné en déplacement par rapport au stator par le fluide lui-même lorsque la pression PI en entrée de fluide 62 est supérieure à la pression P2 en sortie de fluide 64. La pression PI est en général connue. La pression P2 peut être mesurée par un capteur de pression 68 en sortie de fluide 64. Dans ce cas, le moteur 56 peut également constituer un système de freinage, le moteur étant alors adapté à freiner le rotor 54 ou à le mettre en rotation en fonction de PI, de P2 et du débit d’injection souhaité, de manière à atteindre ce débit d’injection souhaité. Par exemple, la figure 4 présente un exemple d’un schéma de fonctionnement du moteur 56. Le moteur 56, synchrone, est couplé à un variateur de tension 70 qui régule l’alimentation électrique en fonction du débit souhaité et de la pression P2 mesurée par le capteur 68. Cela permet de contrôler la vitesse de rotation du rotor 54.

Le contrôle du débit avec un dispositif tel que la pompe à rotor excentrée 50 est beaucoup plus simple et précis qu’avec des systèmes dynamiques (centrifuge, venturi ou orifice calibré avec ou sans pointeau ou tout autre système de restriction de passage hydraulique par exemple des tubes capillaires). Le dispositif 50 est adapté aux solutions polymères car il ne dégrade pas les chaînes de polymères. Il est également robuste et permet de travailler avec présence de sable ou autres particules solides plus ou moins abrasives comme le proppant. Il est de ce fait très peu susceptible d’engendrer des accumulations de dépôts organiques ou minéraux comme pourraient l’être d’autres systèmes. Enfin le dispositif 50 peut être adapté en version sous-marine pour une utilisation en offshore. En outre, son entretien, notamment le remplacement du rotor, est aisé.

Concernant les dimensions du rotor 54 et du stator 52, les sections du rotor 54 et du logement dans le stator peuvent présenter, respectivement, deux et trois sommets. Dans ce cas, le dispositif 50 est particulièrement adapté au cas de figure où PI est supérieur à P2 et le moteur 56 fait office de système de freinage. Alternativement, les les sections du rotor 54 et du logement dans le stator peuvent présenter, respectivement, trois et quatre sommets (moteur). Dans ce cas, le dispositif 50 est particulièrement adapté au cas de figure où PI est inférieur à P2 et le moteur 56 entraîne le rotor 54 en rotation.

Le rotor 54 peut être métallique, de préférence en acier chromé. En outre, le stator 52 peut être est en matériau déformable, par exemple un élastomère. Ainsi, le stator 52 peut subir des déformations permettant la création d’un débit de fuite, tel que mentionné plus haut, permettant une lubrification du dispositif 50. Les formes précises, les dimensions et les matériaux peuvent être prévus pour optimiser et maîtriser le débit de fuite afin d’avoir l’effet de lubrification avec un minimum de cisaillements du fluide et une bonne répartition du travail des forces de freinage ou de surpression du fluide dans toutes les cavités, tout au long du rotor et du stator. Ils peuvent également être adaptés aux conditions de température et de pression du fluide injecté, par exemple une pompe de type moineau à stator métallique peut aussi être envisagée pour résister à de plus hautes températures, par exemple au-delà de 120°C.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples et au mode de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif (50) de régulation du débit d’un fluide dans un puits (38) de réservoir d’hydrocarbures, ledit dispositif étant monté en aval d’un manifold (40) et en amont d’une tête de puits (44) et comprenant : une entrée de fluide (62), une sortie de fluide (64), un stator (52), un rotor (54) monté en rotation par rapport au stator selon un axe allant de l’entrée de fluide vers la sortie de fluide, le stator et le rotor formant des cavités progressantes depuis l’entrée de fluide vers la sortie de fluide lorsque le rotor est mis en rotation par rapport au stator, et un système de régulation (56) de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le stator est en matériau déformable, de préférence élastomère. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le stator est monté serré autour du rotor. 4. Dispositif selon Tune des revendications 1 à 3, dans lequel le rotor est métallique, de préférence en acier chromé. 5. Dispositif selon Tune des revendications 1 à 4, dans lequel le rotor est monté dans un logement à l’intérieur du stator, le rotor et le logement étant de forme hélicoïdale. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les sections du rotor et du logement dans le stator présentent, respectivement, deux et trois sommets, ou, trois et quatre sommets. 7. Dispositif selon Tune des revendications 1 à 6, dans lequel le rotor est en outre adapté à être entraîné en rotation par rapport au stator par le fluide lorsque la pression en entrée de fluide est supérieure à la pression en sortie de fluide. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator comprend un système de freinage (56) du rotor. 9. Dispositif selon la revendication 8, comprenant en outre un convertisseur d’énergie issue du freinage en énergie électrique, et une connectique adaptée à l’alimentation par le convertisseur d’un réseau électrique d’installation de production d’hydrocarbures. 10. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le système de régulation de la vitesse de rotation du rotor par rapport au stator comprend un moteur adapté à entraîner le rotor en rotation par rapport au stator. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le dispositif forme une pompe à rotor excentré. 12. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le système de régulation comprend un capteur de pression en sortie de fluide et/ou un système de comptage du débit du fluide en sortie de fluide. 13. Installation de production d’hydrocarbures (20) comprenant : une ligne d’injection de fluide dans un réservoir d’hydrocarbures, et au moins un dispositif de régulation (50) selon l’une des revendications 1 à 12 monté dans la ligne d’injection de fluide, l’entrée de fluide du dispositif étant montée en amont et la sortie de fluide du dispositif étant montée en aval.
3. 14. Installation de production d’hydrocarbures selon la revendication 13, dans laquelle la ligne d’injection de fluide comprend au moins un puits d’injection (38) de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures (26) et une conduite (36) arrivant au puits, le dispositif de régulation (50) étant monté dans la conduite ou à l’intérieur d’un faux puits 15. Installation selon la revendication 13 ou 14, dans laquelle la ligne d’injection de fluide comprend : plusieurs puits d’injection (38) de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures (26), une conduite de fluide d’injection (34) alimentant en fluide un manifold (40), plusieurs conduites (36) reliant chacune le manifold (40) à un puits d’injection (38) respectif, et pour chaque puits d’injection, un dispositif de régulation (50) selon l’une des revendications 1 à 12 monté en aval du manifold.
4. 16. Installation selon la revendication 15, comprenant en outre une pompe (42) adaptée à alimenter la conduite de fluide d’injection (34) avec le fluide. 17. Procédé d’injection d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures, comprenant : l’alimentation (S 10) en fluide de plusieurs puits d’injection de fluide débouchant dans le réservoir d’hydrocarbures, et pour chaque puits d’injection, la régulation (S20) du débit d’injection du fluide dans le réservoir d’hydrocarbures avec un dispositif de régulation selon l’une des revendications 1 à 12, indépendamment des autres puits.
5. 18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le fluide comprend une solution visqueuse, de préférence contenant des polymères. 19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel le fluide comprend un gel de fracturation, de préférence thixotrope. 20. Procédé de production d’hydrocarbures comprenant : l’injection (S10, S20) d’un fluide dans un réservoir d’hydrocarbures selon le procédé de la revendication 17, 18 ou 19, et la récupération (S30) d’hydrocarbures par au moins un puits de production débouchant dans le réservoir.