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WO2016051051A1 - Appareil de contrôle de pression d'injection dans la récupération assistée du pétrole offshore - Google Patents

Appareil de contrôle de pression d'injection dans la récupération assistée du pétrole offshore Download PDF

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WO2016051051A1
WO2016051051A1 PCT/FR2015/052559 FR2015052559W WO2016051051A1 WO 2016051051 A1 WO2016051051 A1 WO 2016051051A1 FR 2015052559 W FR2015052559 W FR 2015052559W WO 2016051051 A1 WO2016051051 A1 WO 2016051051A1
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WO
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pressure
tube
choke
injection
pressure reducer
Prior art date
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PCT/FR2015/052559
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English (en)
Inventor
Pascal Remy
Emmanuel Pich
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SPCM SA
Original Assignee
SPCM SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to BR112017006384A priority patent/BR112017006384A2/pt
Priority to MX2017004067A priority patent/MX381454B/es
Priority to CN201580052249.XA priority patent/CN107075933A/zh
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    • E21B43/26—Methods for stimulating production by forming crevices or fractures
    • E21B43/2607—Surface equipment specially adapted for fracturing operations

Definitions

  • the second problem is the mechanical degradation of the polymer.
  • a single water injection pump feeds several wells. But because of the heterogeneity of the fields, the injection pressures are different from one well to another.
  • a control valve or pressure regulator called choke.
  • the polymer solution can not pass through this choke without a degradation substantially proportional to the pressure drop.
  • a pressure drop of 20 bar will degrade by about 20%> the viscosity.
  • a pressure drop of 50 bar will degrade the order of 50%> viscosity.
  • these degradations are dependent on the type of polymer, the viscosity, the concentration of the dissolution brine composition, the temperature. Only pilot tests can predict the extent of degradation.
  • Acrylamide-based polymers are widely used in enhanced oil recovery operations. Their molecular weights have increased as manufacturing processes improve. In the 1980s, the molecular weights of polyacrylamides did not exceed 5 to 8 million daltons because of the impurities of the raw materials and catalytic systems used. Today, they exceed 10 million daltons and reach values of 20 to 30 million daltons.
  • the mechanical degradation of the polyacrylamides depends largely on the molecular weight. The higher the molecular weight, the more the polymer is fragile and may be degraded by mechanical action. Polyacrylamides of very high molecular weight, greater than 10 million daltons, are very sensitive to this mechanical degradation. They are much more so than polyacrylamides of lower molecular weight.
  • the stock solution prepared at a concentration of 10 to 20 g / l is pumped by a high-pressure triplex pump at the wellhead, after the nozzle, before a static mixer.
  • This system requires many pumps (one per well) and many pipelines, which increases the cost of installation.
  • US 4,782,847 discloses a conduit in which a polymer solution circulates.
  • the conduit alternates short portions of small section and longer portions of larger section. This allows to reduce the pressure of the polymer solution by creating turbulence or vortex without degrading the polymers. Turbulence is created with each restriction and with each increase of the diameter of the conduit. The succession of these restrictions and expansions is sought to reduce the pressure by a controlled turbulence effect.
  • a valve can also be added.
  • this apparatus is based on turbulence pressure reduction, which is particularly useful and effective for polymers having a not too high molecular weight, ie less than 8 million daltons. The latter are indeed not too sensitive to the turbulence caused by the successive restrictions and enlargements. But this apparatus is not suitable for pressure reduction for polymeric solutions containing polymers of very high molecular weight, greater than
  • Another solution is to create a solution at the final concentration (500 to 3000 ppm) and inject it into each well via a linear pressure reducer as described in US Patent 8,607,869.
  • This linear pressure reducer is modular and allows using 3 to 6 lengths of tubes separated by 4-way valves to adjust the pressure with an accuracy of 1 to 5 bar, this can be done manually or via a programmable automaton.
  • the flow of a polymer solution in a tube does not cause degradation or very low degradation of the polymer to a certain speed depending on the diameter of the tube, the viscosity, the salinity of the solution and which can be determined by experience.
  • the pressure drop changes as a function of the flow rate of the polymer solution in the tube, depending on the flow rate as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the polymer is more or less degraded as a function of the speed of the polymer. flow as shown in Figure 3.
  • the degradation depends on the speed and diameter of the tube. It is considered that a pressure drop of 1 bar over 10 meters leads to an acceptable degradation.
  • preliminary tests make it possible to optimize the diameter and the length of the tube constituting a linear choke.
  • this type of device entails additional constraints inherent in its technology (control and measurement devices, confirmation of valve openings, measurement of flow and pressure, connectable modules for maintenance, housings electric, umbilical, ).
  • the object of the invention is therefore to simplify the system so as to give it the robustness and simplicity necessary for underwater use.
  • Underwater production fields have a rather different architecture from the terrestrial fields. They are processed from platforms or boats (FPSO) ( Figure 4).
  • FPSO platforms or boats
  • the water injection or polymer solution policies are very different depending on the operating company.
  • the simplest method is to have one injection tube (riser) per well. In this configuration, the dilution of the stock solution is performed by injection into the high pressure tube after the surface choke installed on the boat or platform.
  • the diameter of these transport tubes is generally of the order of 10 inches, which does not generate significant pressure drop. But for larger fields, most often, each FPSO or platform goes down several risers to manifolds that distribute the flow over several wells via chokes to adjust the injection pressure for each well.
  • the invention consists in inserting, upstream or downstream of a choke, a pressure reducer, in the form of a tube of constant internal diameter and smaller than that of the main pipe making it possible to absorb the majority of the pressure loss.
  • the choke itself to adjust the pressure in the range between 0 and 10 bar, that is to say on a range that does not cause significant degradation of the polymer of very high molecular weight.
  • the combination of a pressure reducer, whose dimensions can be calculated on earth, with a choke whose role is to adjust the pressure without significantly degrading the polymer of very high molecular weight solves the problem described above. This makes it possible to limit the degradation of the polymer in a completely acceptable manner by reducing it to less than 10%. For example, on a well where the pressure reduction required is of the order of 50 bar, the pressure reducer provides a pressure drop of about 45 bar and the choke from 0 to 10 bar.
  • the subject of the invention is therefore an apparatus for controlling the injection pressure of an aqueous polymeric solution in an underwater oil well, said apparatus being capable of being immersed and consisting of:
  • a pressure reducer in the form of a tube with a length of at least 10 meters, advantageously between 10 and 1000 meters intended to be inserted between two sections of main injection pipe, the pressure reducer having a diameter internal constant and lower than that of the main line and being able to absorb the majority of the loss of load; a choke positioned immediately upstream or downstream of the pressure reducer, said choke being adapted to be adjusted to allow a pressure control between 0 and 10 bar.
  • the concept of the invention is based on the combination of the reduction of the majority of the pressure by the circulation of the fluid in a laminar flow, associated with the possibility of creating a minimum pressure drop generated by a choke.
  • the pressure drop generated in the pressure reducer is in a laminar flow and not in a turbulent flow to ensure the low mechanical degradation of very high molecular weight polymers (greater than 10 million). daltons). It is therefore essential to minimize turbulence. This is achieved by limiting the number of tubes of internal diameter less than that of the main line to one, and choosing a length of tube large enough to create the necessary pressure drop.
  • connection in the direction of the flow of solution, the connection: between the main pipe and the constituent tube of the pressure reducer and between the choke and the main pipe,
  • the apparatus of the invention has at each of its free ends, a conical piece intended to be connected to the corresponding sections of main pipe.
  • the pressure reducer is capable of absorbing at least 60% of the pressure drop, preferably at least 80%, more preferably at least 90%.
  • the constituent tube of the pressure reducer comprises at least one section of flexible tube, which makes it easier to handle the tube in an underwater environment during its installation or maintenance by divers or underwater robots.
  • the pressure reducer comprises several sections of flexible tube of identical internal diameter, connected end to end between them and the choke by quick connectors for easy attachment.
  • quick connectors are well known to those skilled in the art because they allow easy connection of the elements to each other, including under difficult handling conditions such as the underwater environment. They are also called quick connection systems.
  • the constituent tube of the pressure reducer can consist of one or more parts of tube connected to each other by a quick coupling, itself of internal section identical to that of the tube parts that it connects.
  • the diameter of the tube is thus constant and lower throughout its length, that of the main pipe.
  • the flexible tubes are selected from all types of flexible hoses made of plastic, rubber or composite. They are preferably made of a rubber-textile or metalloplastic composite capable of withstanding high pressures, at least equal to the pressure of the injection pump.
  • the linear pressure reducer comprises one or more sections of rigid metal tube of identical internal diameter, connected in series with each other and with the choke directly or by means of flexible tubes of internal diameter identical to that rigid tubes.
  • the one or more rigid metal tube sections are in a spirally wound form.
  • the metal tubes are made of stainless steels, particularly austenitic-ferritic steels called “superduplex” or austenitic steels hardened surface (vacuum nitriding, kolsterisation) having a high mechanical strength and a high corrosion resistance .
  • the pressure reducer is positioned downstream or upstream of the choke.
  • the pressure control apparatus according to the invention is positioned downstream of the manifold (manifold).
  • the internal diameter of the constituent tube of the pressure reducer is between 1 ⁇ 2 inch and 4 inches, preferably between 1 ⁇ 2 and 3 inches. This diameter is small compared to the internal diameter of the main injection pipe, which is between 8 and 20 inches, preferably between 8 and 15 inches, preferably of the order of 10 inches. In other words, the pressure reduction in a tube of internal diameter of the order of 10 inches is considered insignificant within the scope of the invention, while the pressure reduction in a tube diameter between 1 ⁇ 2 and 4 inches. is significant without causing a significant degradation of the polymer. Indeed, in the main lines of injection, the speed is of the order of 2 to 3 meters second while it reaches 6 to 14 meters / second in the tube of the linear pressure reducer.
  • the length of tube constituting the pressure reducer is between 10 and 1000 meters, preferably between 50 and 600 meters.
  • the invention also relates to a method for reducing the injection pressure of a solution comprising a polymer based on acrylamide of molecular weight greater than 10 million daltons, depending on the well fracturing pressure implementing the apparatus previously described in an oil assisted offshore oil recovery process.
  • the polymeric solution comprises a polymer based on acrylamide of molecular weights greater than 10 million daltons, preferably greater than 15 million daltons, very preferably greater than 18 million daltons.
  • the molecular weight does not generally exceed 30 million daltons in view of the current technological limitations of the production processes.
  • the process according to the invention is suitable for polymers having a molecular weight greater than 30 million daltons.
  • the amount of acrylamide-based polymer having a molecular weight greater than 10 million daltons contained in the injected polymer solution is between 20 ppm and 5000 ppm, preferably between 50 ppm and 3000 ppm.
  • the choke is preferentially controlled from the surface.
  • the pressure control apparatus is preferably positioned downstream of the manifold (manifold) before the choke.
  • the step of controlling the pressure reduction is preferably carried out in such a way that the pressure reducer absorbs at least 60% of the pressure drop, preferably at least 80%, more preferably at least 90%.
  • This step is preferably carried out in such a way that the choke reduces the pressure by less than 10 bar, preferably between 1 and 5 bar.
  • the choke reduces the pressure slightly, which allows a minimum degradation of the polymers. It is considered that the degradation of the polymer is about 2% with 5 bars of pressure drop, and about 5% with 10 bars of pressure drop.
  • the required pressure drop may vary.
  • the pressure control can be carried out thanks to the opening or closing of the choke controlled at a distance from the platform or the boat FPSO. It can also be done by lengthening or reducing the length of the tube by adding or removing tubing section, through the intervention of divers or robots submarine. This manipulation is all the easier as the tube section or sections are flexible and quick couplings are used.
  • FIG. 1 is a curve representing, for a given polymeric solution, the pressure drop as a function of the flow velocity, in tubes of 107 meters in length and of variable diameter (from one half to two inches).
  • the polymer solution contains 1000 ppm of an acrylamide / sodium acrylate copolymer (70/30 mol%) having a molecular weight of approximately 20 million g / mol dissolved in a brine containing 5 g / l of NaCl, 0.113 g / 1 of MgSO 4, and 0.096 g / l of CaCl 2.
  • FIG. 2 is a curve showing the pressure drop as a function of flow with the same polymer solution and the same tubes as in FIG. 1
  • FIG. 3 is a curve representing the degradation of the polymer in percent as a function of the flow rate , with the same polymer solution and the same tubes as in FIG. 1 and a pressure drop determined for this same polymer.
  • the degradation of the polymer is directly proportional to the loss of viscosity of the polymeric solution.
  • FIG. 4 represents a schematic view of a Floating Production Storage and Offloading (FPSO) unit and the underwater injection architecture.
  • Figure 5 shows a schematic view of the pressure control apparatus connected in series to the main line, downstream of the manifold.
  • the device consists of a linear pressure reducer of 3 sections of tube, and a choke, all connected by quick couplings. Installation example
  • FIG. 4 shows a typical offshore secondary oil recovery facility. It includes a floating production, storage and offloading (FPSO) unit.
  • the platform is equipped with riser tubes (2) into which the polymer solution is injected by means of the main injection pump.
  • Each tube is intended to feed a manifold or distributor (3) from which leave as many tubes (4) as wells (5).
  • the diameter of the tube feeding the manifold is the same as that of the tubes (4) leaving the manifold. In practice, the diameter is of the order of 10 inches.
  • the pressure decrease at each well (5) is obtained by placing a choke (6) on each pipe (4). As explained above, these chokes, by decreasing the pressure do not present a problem for water injections only but degrade the polymer when a polymeric aqueous solution is injected.
  • the invention consists in associating with each choke, a pressure reducer.
  • the characteristics of the pressure reducer are calculated so that the choke only intervenes at a level of 0 to 10 bars in the reduction of the injection pressure.
  • the device of the invention is positioned downstream of the collector (3) on each of the tubes (4) from the main pipe (2).
  • the control device of the invention (10) consists of the pressure reducer (7) and the choke (6).
  • the pressure reducer (7) is itself constituted for example by 3 sections of tube (8) connected to each other as well as to the choke (6) and to the main pipe (4), by means of couplings fast (9).
  • the inner diameter of the tubes (8) is smaller than that of the tubes (4), in practice less than 4 inches.
  • the internal diameter of the tubes (8) is also identical to the internal diameter of the quick couplings.
  • the jets (6) are connected, again by a quick connector (9) to the main injection pipe (4) downstream and supplying the wells (5) in polymer solution.
  • the internal diameter of the tube (4) between the choke (6) and the well (5) is identical to that of the other portions of the main pipe.
  • a 2000 ppm concentration polymer solution is produced from a 70/30 acrylamide / 70/30 sodium hydroxide copolymer emulsion of molecular weight 20 million and injected into a well set via risers, manifolds and pressure regulating chokes.
  • the viscosity is 200 centipoise.
  • the pressure of the injection pump is 115 bars and we have chosen a line where the injection pressure at the wellhead is 77 bars.
  • the choke and negligible load losses in line reduce the pressure by 38 bar.
  • the flow rate measured on this well is about 91 m 3 / h and the pressure / volume is practically stabilized for more than a year. Ground tests are performed to select the size of the sections of the linear pressure reducer tube required by dissolving 2000 ppm of polymer in a brine of composition.
  • the tests are carried out on various flexible hoses and we chose a rubber tube type 4SP-32 with an internal diameter of 2 inches.
  • the working pressure to simulate the injection pressure is 165 bar, with a breaking pressure of 660 bar (Phoenix-Beattie brand).
  • the velocity of the liquid in the tube is 12.5 meters per second and the pressure drop over 100 meters (test length) is 8.3 bars. This is quite acceptable compared to the objective since less than a pressure drop of 1 bar per 10 meters.

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Abstract

Appareil de contrôle de pression d'injection (10) d'une solution aqueuse polymérique dans un puit de pétrole sous-marins, ledit appareil étant apte à être immergé et constitué : - d'un réducteur de pression (7) sous la forme d'un tube (8) de longueur d'au moins 10 mètres, destiné à être inséré ente deux tronçons de canalisation principale d'injection, le réducteur de pression (7) présentant un diamètre interne constant et inférieur à celui de la canalisation principale (2) et étant apte à absorber la majorité de la perte de charge; - d'une duse (6) positionnée immédiatement en amont ou en aval du réducteur de pression (7), ladite duse (6) étant apte à être réglée pour permettre un contrôle de pression compris entre 0 et 10 bars.

Description

APPAREIL DE CONTRÔLE DE PRESSION D'INJECTION DANS LA RECUPERATION ASSISTEE DU PETROLE OFFSHORE
La récupération assistée du pétrole (RAP) qui a été industrialisée spécialement aux Etats-Unis entre 1973, date du premier choc pétrolier, et 1986, date de l'effondrement du prix du pétrole à 10 dollars le baril, a été remise à l'ordre du jour au début des années 2000 lorsque le prix du pétrole a dépassé 40 dollars le baril. Avec un coût actuel de 100 dollars le baril, la récupération assistée du pétrole avec l'utilisation de polymères hydrosolubles, qui permet une augmentation du rendement de 10% à 20%> des réserves en place supplémentaire, est devenue une technique de choix.
Cependant, sa mise en œuvre sur des champs pétroliers importants se heurte à certains problèmes techniques qui sont résolus progressivement. L'un des matériels qui a permis ce développement est le PSU (Polymer Slicing Unit) décrit dans le brevet EP 2 203 245. Ces types de polymères hydrosolubles sont très difficiles à disperser à cause d'un effet de collage et d'agglomération donnant des gels ou « yeux de poisson » (« fïsh eyes ») très longs à dissoudre. Ces gels ne peuvent être injectés dans les formations sans dommage. Le PSU permet à la fois une excellente dispersion et une concentration de dissolution élevée réduisant les tailles des cuves de dissolution et des pompes haute pression qui constituent une part importante des investissements nécessaires.
Le second problème est la dégradation mécanique du polymère. Habituellement, sur un champ pétrolier, une seule pompe d'injection d'eau alimente plusieurs puits. Mais à cause de l'hétérogénéité des champs, les pressions d'injection sont différentes d'un puits à un autre. Pour cela, on installe à la tête des puits une vanne de contrôle ou de régulation de pression appelée duse. La solution de polymère ne peut passer à travers cette duse sans une dégradation pratiquement proportionnelle à la perte de charge. Approximativement, une perte de charge de 20 bars va dégrader de l'ordre de 20%> la viscosité. Une perte de charge de 50 bars dégradera de l'ordre de 50%> la viscosité. Evidemment ces dégradations sont dépendantes du type de polymère, de la viscosité, de la concentration de la composition de la saumure de dissolution, de la température. Seuls des tests pilotes permettent de prévoir l'amplitude de la dégradation. Les polymères à base d'acrylamide sont largement utilisés dans les opérations de récupération assistée du pétrole. Leurs poids moléculaires ont augmenté au fur et à mesure des améliorations des procédés de fabrication. Dans les années 1980, les poids moléculaires des polyacrylamides ne dépassaient pas les 5 à 8 millions de daltons à cause des impuretés des matières premières et des systèmes catalytiques utilisés. Aujourd'hui, ils dépassent les 10 millions de daltons et atteignent des valeurs de 20 à 30 millions de daltons.
La dégradation mécanique des polyacrylamides dépend en grande partie du poids moléculaire. Plus le poids moléculaire est élevé, plus le polymère est fragile et risque d'être dégradé par une action mécanique. Les polyacrylamides de très haut poids moléculaires, supérieurs à 10 millions de daltons, sont très sensibles à cette dégradation mécanique. Ils le sont beaucoup plus que les polyacrylamides de poids moléculaires inférieurs.
Pour remédier au problème de dégradation mécanique, diverses solutions ont été utilisées.
Habituellement, la solution mère préparée à une concentration de 10 à 20 gr/litre est pompée par une pompe triplex haute pression en tête de puits, après la duse, avant un mélangeur statique. Ce système demande de nombreuses pompes (une par puits) et de nombreux pipelines, ce qui augmente le coût de l'installation.
Le document US 4,782,847 décrit un conduit dans lequel circule une solution polymérique. Le conduit alterne des portions courtes de faible section et des portions plus longues de section plus importantes. Cela permet deréduire la pression de la solution polymérique en créeant des turbulences ou vortex sans dégrader les polymères. Des turbulences sont créées à chaque restriction et à chaque augmentation du diamètre du conduit. La succession de ces restrictions et agrandissements est recherchée pour réduire la pression par un effet de turbulence maîtrisée. Une valve peut également être ajoutée.
Le concept de cet appareil est basé sur la réduction de pression par turbulence, ce qui est particulièrement utile et efficace pour des polymères ayant un poids moléculaire pas trop élevé, i.e. inférieur à 8 millions de daltons. Ces derniers ne sont en effet pas trop sensibles aux turbulences occasionnées par les restrictions et agrandissements successifs. Mais cet appareil n'est pas approprié à la réduction de pression pour des solutions polymériques contenant des polymères de très haut poids moléculaire, supérieur à
10 millions de daltons. Ces derniers sont au contraire très sensibles à la dégradation par turbulences.
Une autre solution est de créer une solution à la concentration finale (500 à 3000 ppm) et de l'injecter dans chaque puits par l'intermédiaire d'un réducteur de pression linéaire tel que décrit dans le brevet US 8,607,869. Ce réducteur de pression linéaire est modulaire et permet à l'aide de 3 à 6 longueurs de tubes séparés par des vannes 4 voies de régler la pression avec une précision de 1 à 5 bars, ceci pouvant se faire manuellement ou par l'intermédiaire d'un automate programmable.
11 se présente sous forme d'un caisson où les enroulements de tubes inox peuvent être activés ou désactivés pour obtenir la pression requise.
Au point de vue technique, l'écoulement d'une solution de polymère dans un tube n'engendre pas de dégradation ou une dégradation très faible du polymère jusqu'à une certaine vitesse dépendant du diamètre du tube, de la viscosité, de la salinité de la solution et qui peut être déterminée par expérience.
La perte de charge évolue en fonction de la vitesse d'écoulement de la solution polymérique dans le tube, en fonction du débit comme le montrent les figures 1 et 2. Autrement dit le polymère est plus ou moins dégradé en fonction de la vitesse d'écoulement comme le montre la figure 3.
Habituellement, la dégradation dépend de la vitesse et du diamètre du tube. On considère qu'une perte de charge de 1 bar sur 10 mètres entraine une dégradation acceptable. Cependant, dû à la composition de la saumure, du type et de la concentration du polymère, de la température, des essais préalables permettent d'optimiser le diamètre et la longueur du tube constituant une duse linéaire.
Dans le cas mentionné dans les figures 1 à 3, et pour un diamètre donné de 1 pouce, pour que la perte de charge soit inférieure ou égale à 1 bar sur 10 mètres, il faudra que la vitesse d'écoulement ne dépasse pas les 7.5 m/s environ, et le débit ne dépasse pas les 13 m3/h. Habituellement, les duses standards permettent de régler la pression sur une plage de perte de charge de 0 à 50 bars ce qui correspond à l'utilisation d'un réducteur de pression linéaire de 500 mètres environ. Un réducteur de pression linéaire tel que décrit dans le brevet US 8,607,869 fonctionne très bien lorsqu'il est utilisé en surface car il est directement accessible pour les opérations de contrôle et de maintenance. Les connections liquide, électrique ou hydraulique deviennent extrêmement importantes lorsqu'on souhaite un degré de fiabilité important.
Mais ce type d'appareil devient très complexe lorsqu'on veut l'adapter à des applications sous-marines, en particulier en ce qui concerne le remplacement des vannes, des serpentins, des appareils de mesure, le contrôle des ouvertures de vannes, les raccordements en surface et la maintenance forte suivant les cas, par des plongeurs ou des robots.
Extrapolé à une installation sous-marine, ce type d'appareil entraine des contraintes supplémentaires inhérentes à sa technologie (appareils de contrôle, de mesure, confirmation des ouvertures des vannes, mesure de débit et de pression, modules de connectables pour la maintenance, boîtiers électriques, ombilicaux, ...).
Le but de l'invention est donc de simplifier le système de manière à lui donner la robustesse et la simplicité nécessaire à une utilisation sous-marine. Les champs de production sous-marine ont une architecture assez différente des champs terrestres. Ils sont traités à partir de plateformes ou de bateaux (FPSO) (figure 4). Les politiques d'injection d'eau ou de solution de polymères sont très différentes en fonction de la société exploitante. Le procédé le plus simple consiste à avoir un tube (riser) d'injection par puits. Dans cette configuration, la dilution de la solution mère s'effectue par injection dans le tube haute pression après la duse de surface installée sur le bateau ou la plateforme. Le diamètre de ces tubes de transport est généralement de l'ordre de 10 pouces, ce qui ne génère pas de perte de charge significative. Mais pour les champs plus étendus, le plus souvent, chaque FPSO ou plateforme descend plusieurs risers vers des collecteurs (manifolds) qui distribuent le flux sur plusieurs puits par l'intermédiaire de duses pour régler la pression d'injection pour chaque puits. Ce système est totalement pénalisant pour les solutions de polymère car à partir d'une perte de charge dans la duse de 10 à 15 bars, les polymères de très haut poids moléculaires (supérieurs à 10 millions de daltons) sont dégradés de manière significative. La perte d'efficacité du procédé de récupération assistée du pétrole due à la dégradation du polymère avant son injection dans le puits doit alors être compensée par une concentration accrue de polymère, qui, sur des périodes d'exploitation de 5 à 10 ans, représente un coût extrêmement élevé.
L'invention consiste à insérer en amont ou en aval d'une duse, un réducteur de pression, sous forme d'un tube de diamètre interne constant et inférieur à celui de la canalisation principale permettant d'absorber la majorité de la perte de charge nécessaire, la duse elle-même permettant d'ajuster la pression dans la plage comprise entre 0 et 10 bars, c'est-à-dire sur une plage n'engendrant pas de dégradation importante du polymère de très haut poids moléculaire. La combinaison d'un réducteur de pression, dont les dimensions peuvent être calculées sur terre, avec une duse dont le rôle est d'ajuster la pression sans que cela dégrade signifîcativement le polymère de très haut poids moléculaire permet de résoudre le problème exposé précédemment. Cela permet de limiter la dégradation du polymère de manière tout à fait acceptable en la réduisant à moins de 10%. Par exemple, sur un puits où la réduction de pression nécessaire est de l'ordre de 50 bars, le réducteur de pression permet d'obtenir une perte de charge d'environ 45 bars et la duse de 0 à 10 bars.
L'invention a donc pour objet un appareil de contrôle de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puit de pétrole sous-marins, ledit appareil étant apte à être immergé et étant constitué :
d'un réducteur de pression sous la forme d'un tube de longueur d'au moins 10 mètres, avantageusement comprise entre 10 et 1000 mètres destiné à être inséré ente deux tronçons de canalisation principale d'injection, le réducteur de pression présentant un diamètre interne constant et inférieur à celui de la canalisation principale et étant apte à absorber la majorité de la perte de charge ; d'une duse positionnée immédiatement en amont ou en aval du réducteur de pression, ladite duse étant apte à être réglée pour permettre un contrôle de pression compris entre 0 et 10 bars. Le concept de l'invention est basé sur l'association de la réduction de la majorité de la pression par la circulation du fluide dans un flux laminaire, associé à la possibilité de création d'une perte de charge minimum engendrée par une duse.
Il est essentiel pour l'invention que la perte de charge engendrée dans le réducteur de pression le soit dans un flux laminaire et non dans un flux turbulent afin de garantir la faible dégradation mécanique des polymères de très haut poids moléculaires (supérieurs à 10 millions de daltons). Il est donc essentiel de minimiser les turbulences. Cela est réalisé en limitant le nombre de tube de diamètre interne inférieur à celui de la canalisation principale à un seule, et en choisissant une longueur de tube suffisamment importante pour créer la perte de charge nécessaire.
Dans un mode de réalisation préféré, dans le sens du flux de solution, la connexion : entre la canalisation principale et le tube constitutif du réducteur de pression puis entre la duse et la canalisation principale,
- ou entre la canalisation principale et la duse puis entre le tube constitutif du
réducteur de pression et la canalisation principale,
se présente sous la forme d'une pièce conique permettant d'éliminer au maximum les turbulences. En d'autres termes, dans un mode de réalisation particulier, l'appareil de l'invention présente à chacune de ses extrémités libres, une pièce conique destinée à être connectée aux tronçons correspondant de canalisation principale.
Selon l'invention, le réducteur de pression est apte à absorber au moins 60% de la perte de charge, préférentiellement au moins 80%, plus préférentiellement au moins 90%.
Dans un mode de réalisation préféré, le tube constitutif du réducteur de pression comprend au moins une section de tube flexible, ce qui permet de pouvoir manipuler plus facilement le tube en milieu sous-marin lors de son installation ou de son entretien par des plongeurs ou des robots sous-marins. Avantageusement, le réducteur de pression comprend plusieurs sections de tube flexible de diamètre interne identique, raccordées bout à bout entre elles et à la duse par des raccords rapides permettant une fixation facile. Les raccords dits rapides sont bien connus de l'homme de métier car ils permettent de connecter facilement les éléments l'un à l'autre, y compris dans des conditions de manipulation difficiles comme le milieu sous- marin. Ils sont également appelés systèmes de connexion rapides.
En d'autres termes, le tube constitutif du réducteur de pression peut être constitué d'une ou plusieurs parties de tube reliées les unes aux autres par un raccord rapide, lui-même de section interne identique à celle des parties de tube qu'il relie. Le diamètre du tube est ainsi constant et inférieur sur toute sa longueur, à celui de la canalisation principale.
Les tubes flexibles sont choisis parmi tous les types de tuyaux flexibles composés de plastique, caoutchouc ou composite. Ils sont préférentiellement constitués d'un composite caoutchouc-textile ou métalloplastique apte à résister à des hautes pressions, au moins égale à la pression de la pompe d'injection.
Dans un mode de réalisation alternatif, le réducteur de pression linéaire comprend une ou plusieurs sections de tube rigide métallique de diamètre interne identique, raccordées en série entre elles et à la duse directement ou par l'intermédiaire de tubes flexibles de diamètre interne identique à celui des tubes rigides. Dans ce cas, le ou les sections de tube rigide métallique sont sous une forme enroulée en spirale.
En pratique, les tubes métalliques sont réalisés en aciers inoxydables, en particulier en aciers austéno-ferritiques dits « superduplex » ou aciers austénitiques durcis en surface (nitruration sous vide, kolsterisation) présentant une résistance mécanique élevée ainsi qu'une forte tenue à la corrosion.
Le réducteur de pression est positionné en aval ou en amont de la duse. L'appareil de contrôle de pression selon l'invention est positionné en aval du collecteur (manifold).
Le diamètre interne du tube constitutif du réducteur de pression est compris entre ½ pouce et 4 pouces, préférentiellement compris entre ½ et 3 pouces. Ce diamètre est faible comparé au diamètre interne de la canalisation principale d'injection, qui est compris entre 8 et 20 pouce, de préférence comprise entre 8 et 15 pouces, avantageusement de l'ordre de 10 pouces. Autrement dit, la réduction de pression dans un tube de diamètre interne de l'ordre de 10 pouces est considéré comme non significative dans le cadre de l'invention, alors que la réduction de pression dans un tube de diamètre compris entre ½ et 4 pouces est significative sans pour autant engendrer une dégradation significative du polymère. En effet, dans les canalisations principales d'injection, la vitesse est de l'ordre de 2 à 3 mètres seconde alors qu'elle atteint 6 à 14 mètres/seconde dans le tube du réducteur de pression linéaire.
La longueur de tube constitutif du réducteur de pression est comprise entre 10 et 1000 mètres, préférentiellement entre 50 et 600 mètres.
L'invention a également pour objet un procédé pour réduire la pression d'injection d'une solution comprenant un polymère à base d'acrylamide de poids moléculaire supérieur à 10 millions de daltons, en fonction de la pression de fracturation du puits mettant en œuvre l'appareil précédemment décrit dans un procédé de récupération assistée du pétrole en offshore.
Plus précisément le procédé selon l'invention comprenant les étapes suivantes :
calculer la réduction de pression nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ;
déterminer par des tests au sol, le dimensionnement et la nature du tube constitutif du réducteur de pression, de telle manière que la perte de charge soit égale à la réduction de pression nécessaire moins celle apportée par la duse, et ce, dans les conditions d'injection de la solution aqueuse polymérique sur champs ;
- immerger puis connecter le réducteur de pression avec la duse et insérer l'appareil de contrôle de pression ainsi obtenu, entre deux tronçons immergés de canalisation principale d'injection ;
injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale ;
ajuster la réduction de pression par ouverture ou fermeture de la duse ;
- optionnellement contrôler la réduction de pression par réduction ou allongement de la longueur du tube constitutif du réducteur de pression.
Par dimensionnement, on entend la longueur totale du tube, le nombre de sections et leur diamètre interne, étant rappelé qu'il est identique et constant d'une section à l'autre. Par nature, on entend le ou les matériaux de composition de section de tube. Comme cela a été déjà abordé, plus le poids moléculaire est élevé, plus le polymère est fragile et risque d'être dégradé par une action mécanique. Dans le procédé selon l'invention, la solution polymérique comprend un polymère à base d'acrylamide de poids moléculaires supérieurs à 10 millions de daltons, préférentiellement supérieurs à 15 millions de daltons, très préférentiellement supérieurs à 18 millions de daltons. Le poids moléculaire ne dépasse généralement pas les 30 millions de daltons eu égard aux limites technologiques actuelles des procédés de production. Cependant le procédé selon l'invention conviendrait à des polymères ayant un poids moléculaire supérieur à 30 millions de daltons.
La quantité de polymère à base d'acrylamide ayant un poids moléculaire supérieurs à 10 millions de daltons contenu dans la solution polymérique injectée est comprise entre 20 ppm et 5000 ppm, préférentiellement entre 50 ppm et 3000 ppm. La duse est préférentiellement commandée depuis la surface.
L'appareil de contrôle de pression selon l'invention est positionné de préférence en aval du collecteur (manifold), avant la duse. Dans le procédé selon l'invention, l'étape de contrôle de la réduction de la pression est préférentiellement réalisée de telle manière à ce que le réducteur de pression absorbe au moins 60% de la perte de charge, préférentiellement au moins 80%, plus préférentiellement au moins 90%. Cette étape est préférentiellement réalisée de telle manière à ce que la duse réduise la pression de moins de 10 bars, de préférence entre 1 et 5 bars.
La duse réduit faiblement la pression ce qui permet une dégradation minimum des polymères. On considère que la dégradation du polymère est d'environ 2% avec 5 bars de baisse de pression, et d'environ 5% avec 10 bars de baisse de pression.
Au cours de l'exploitation, la perte de charge nécessaire peut varier.
Dans le procédé selon l'invention le contrôle de pression peut s'effectuer grâce à l'ouverture ou la fermeture de la duse commandée à distance de la plateforme ou du bateau FPSO. Il peut également être fait en allongeant ou en réduisant la longueur du tube par l'ajout ou le retrait de section de tube, grâce à l'intervention de plongeurs ou de robots sous-marin. Cette manipulation est d'autant plus facile que la ou les sections de tube sont flexibles et que des raccords rapides sont utilisés.
L'homme de l'art pourra faire des adaptations de l'appareil et du procédé pour chaque cas particulier.
L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront bien des exemples suivants, à l'appui des figures annexées. La figue 1 est une courbe représentant pour une solution polymérique déterminée, la perte de charge en fonction de la vitesse d'écoulement, dans des tubes de 107 mètres de longueur et de diamètre variable (d'un demi à deux pouces). La solution polymérique contient 1000 ppm d'un copolymère acrylamide/acrylate de sodium (70/30 % molaire) présentant un poids moléculaire d'environ 20 millions de g/mol dissous dans une saumure contenant 5g/l de NaCl, 0.113 g/1 de MgS04, et 0.096 g/1 de CaC12.
La figure 2 est une courbe représentant la perte de charge en fonction du débit avec la même solution polymérique et les mêmes tubes que dans la figure 1 La figure 3 est une courbe représentant la dégradation du polymère en pourcent en fonction de la vitesse d'écoulement, avec la même solution polymérique et les mêmes tubes que dans la figure 1 et une perte de charge déterminée pour ce même polymère. La dégradation du polymère est directement proportionnelle à la perte de viscosité de la solution polymérique.
La figure 4 représente une vue schématique d'une unité flottante de production, de stockage et de déchargement (FPSO, Floating production storage and offloading) et l'architecture sous-marine d'injection. La figure 5 représente une vue schématique de l'appareil de contrôle de pression connecté en série à la canalisation principale, en aval du collecteur (manifold). L'appareil est constitué d'un réducteur de pression linéaire de 3 sections de tube, et d'une duse, le tout connecté par des raccords rapides. Exemple d'installation
La figure 4 représente une installation classique de récupération secondaire de pétrole offshore. Elle comprend une unité flottante de production, de stockage et de déchargement (FPSO : Floating production storage and offloading). La plateforme est équipée de tubes (riser) (2) dans lesquels est injectée la solution de polymère au moyen de la pompe d'injection principale. Chaque tube est destiné à alimenter un collecteur ou répartiteur (3) d'où repartent autant de tubes (4) que de puits (5). Le diamètre du tube alimentant le collecteur est le même que celui des tubes (4) sortant du collecteur. En pratique, le diamètre est de l'ordre de 10 pouces. Dans cette installation de l'art antérieur, la diminution de pression au niveau de chaque puits (5) est obtenue par la mise en place d'une duse (6), sur chaque canalisation (4). Comme expliqué précédemment, ces duses, en diminuant la pression ne présentent pas de problème pour des injections d'eau uniquement mais dégradent le polymère lorsqu'une solution aqueuse polymérique est injectée.
Pour pallier à cet inconvénient et comme représenté sur la figure 5, l'invention consiste à associer à chaque duse, un réducteur de pression. Les caractéristiques du réducteur de pression sont calculées pour que la duse n'intervienne plus qu'à hauteur de 0 à 10 bars dans la diminution de la pression d'injection. Le dispositif de l'invention est positionné en aval du collecteur (3) sur chacun des tubes (4) issus de la canalisation principale (2). Sur la figure 5, l'appareil de contrôle de l'invention (10) est constitué du réducteur de pression (7) et de la duse (6). Le réducteur de pression (7) est lui-même constitué par exemple de 3 sections de tube (8) raccordées les unes aux autres ainsi qu'à la duse (6) et à la canalisation principale (4), par le biais de raccords rapides (9). Le diamètre interne des tubes (8) est inférieur à celui des tubes (4), en pratique inférieur à 4 pouces. Le diamètre interne des tubes (8) est également identique au diamètre interne des raccords rapides. Les duses (6) sont connectées, de nouveau par un raccord rapide (9) à la canalisation principale d'injection (4) située en aval et alimentant les puits (5) en solution de polymère. Le diamètre interne du tube (4) entre la duse (6) et le puits (5) est identique à celui des autres portions de canalisation principale. Exemple pratique de mise en œuyre
Sur un champ pétrolier offshore, une solution de polymère à 2000 ppm de concentration est produite à partir d'une émulsion de copolymère acrylamide / acrylate de soude 70/30 de poids moléculaire 20 millions et injectée dans un ensemble de puits par l'intermédiaire de risers, de manifolds et de duses de régulation de pression. La viscosité est de 200 centipoises.
La pression de la pompe d'injection est de 115 bars et nous avons choisi une ligne où la pression d'injection en tête de puits est de 77 bars. La duse et les pertes négligeables de charge en ligne réduisent la pression de 38 bars.
Le débit mesuré sur ce puits est d'environ 91 m3/h et la pression / volume est pratiquement stabilisée depuis plus d'un an. Des essais au sol sont effectués pour sélectionner la dimension du des sections du tube du réducteur de pression linéaire nécessaire en dissolvant 2000 ppm de polymère dans une saumure de composition.
NaCl 15,4 g/1
NaHC03 0,62 g/1
CaCl2.2H20 2,54 g/1
MgCl2.6H20 2,54 g/1
Les essais sont effectués sur divers tuyaux flexibles et nous avons choisi un tube en caoutchouc de type 4SP-32 de diamètre intérieur 2 pouces. La pression de travail pour simuler la pression d'injection est de 165 bars, avec une pression de rupture de 660 bars (marque Phoenix-Beattie).
La vitesse du liquide dans le tube est de 12,5 mètres par seconde et la perte de charge sur 100 mètres (longueur de test) est de 8,3 bars. Cela est tout à fait acceptable par rapport à l'objectif puisque inférieure à une perte de charge de 1 bar par tranche de 10 mètres.
Il a été choisi d'installer à l'avant de la duse une longueur de totale de tube du réducteur de pression linéaire de 450 mètres avec trois sections de tube de longueur 50 mètres et 1 section de tube de 300 mètres, le tout assemblé par des raccords rapides. Lorsque la solution de polymère est injectée, la pression initiale sur le puits baisse vers 77 bars, dû à l'effet de drag réduction du polymère pour remonter vers 79 bars. Le débit est de 93 m3/heure avec une duse totalement ouverte, mais avec un potentiel de fermeture pour augmenter de 10 bars la perte de charge dans la duse avec peu de dégradation du polymère. La duse est légèrement fermée pour engendrer une perte de charge de 2 bars ce qui permet d'atteindre l'objectif de 77 bars en pression d'injection.
Si la perte de charge nécessaire variait faiblement il serait facile de commander à distance l'ouverture ou la fermeture de la duse.
Si la perte de charge variait de manière plus importante par rapport à la perte de charge nécessaire, il serait alors possible d'enlever ou de rajouter une ou deux sections courtes de 50 mètres qui correspondent chacune à une perte de charge d'environ 4 bars. Les essais au sol ont indiqué une dégradation sur 100 mètres de LPR de 1,2%, c'est-à-dire pratiquement nul étant donnée la précision de la mesure.
Le but de l'installation est donc atteint.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Appareil de contrôle de pression d'injection d'une solution aqueuse polymérique dans un puit de pétrole sous-marins, ledit appareil étant apte à être immergé et constitué :
- d'un réducteur de pression sous la forme d'un tube de longueur d'au moins 10 mètres, destiné à être inséré ente deux tronçons de canalisation principale d'injection, le réducteur de pression présentant un diamètre interne constant et inférieur à celui de la canalisation principale et étant apte à absorber la majorité de la perte de charge ;
- d'une duse positionnée immédiatement en amont ou en aval du réducteur de pression, ladite duse étant apte à être réglée pour permettre un contrôle de pression compris entre 0 et 10 bars.
21 Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le tube du réducteur de pression comprend au moins une section de tube flexible.
3/ Appareil selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le réducteur de pression comprend plusieurs sections de tube flexible de diamètre interne identique, raccordées bout à bout entre elles et à la duse par des raccords rapides permettant une fixation facile.
4/ Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le ou les tubes flexibles sont constitués d'un composite caoutchouc-textile ou métalloplastique apte à résister à une pression au moins égale à la pression de la pompe d'injection. 5/ Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réducteur de pression comprend une ou plusieurs sections de tube rigide métallique de diamètre interne identique, raccordées bout à bout entre elles et à la duse directement ou par l'intermédiaire de tubes flexibles de diamètre interne identique à celui des tubes rigides. 6/ Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le ou les tubes métalliques sont enroulés en spirale.
7/ Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre interne du tube constitutif du réducteur de pression est compris entre ½ pouces et 4 pouces. 8/ Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la longueur de tube est comprise entre 10 et 1000 mètres.
91 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente à chacune de ses extrémités libres, une pièce conique destinée à être connectée aux tronçons correspondant de canalisation principale.
10/ Procédé pour réduire la pression d'injection d'une solution comprenant un polymère à base d'acrylamide de poids moléculaires supérieurs à 10 millions de daltons, en fonction de la pression du puits mettant en œuvre l'appareil objet de l'une des revendications 1 à 9 dans un procédé de récupération assistée du pétrole en offshore.
1 1/ Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- calculer la réduction de pression nécessaire en soustrayant à la pression de la pompe principale d'injection, la pression d'injection en tête de puits ;
déterminer par des tests au sol, le dimensionnement et la nature du tube constitutif du réducteur de pression de telle manière que la perte de charge soit égale à la réduction de pression nécessaire moins celle apportée par la duse, et ce, dans les conditions d'injection de la solution aqueuse polymérique sur champs ;
immerger puis connecter le réducteur de pression avec la duse et insérer l'appareil de contrôle de pression ainsi obtenu, entre deux tronçons immergés de canalisation principale d'injection ;
injecter la solution aqueuse polymérique dans la canalisation principale,
- ajuster la réduction de pression par ouverture ou fermeture de la duse ;
optionnellement contrôler la réduction de pression par réduction ou allongement de la longueur du tube constitutif du réducteur de pression.
12/ Procédé selon l'une des revendications 10 ou 1 1 , caractérisé en ce que le contrôle de pression apporté par la duse est compris entre 0 et 10 bars, de préférence entre 3 et 5 bars.
13/ Procédé selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que on ajoute une section de tube supplémentaire de diamètre interne identique à celle(s) présente(s) ou on en retire une par l'intervention de plongeurs ou de robots sous-marin, pour modifier la perte de charge apportée par le réducteur de pression linéaire.
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