Pompe ESP [PDF]

Zitiervorschau

CHAPITRE II

méthodes d’activation des puits pendant le DST

Introduction : Lors de DST, au cours de forage ou bien à l’exploitation d’un puits (WorkOver), les réservoirs produisant des hydrocarbures ont une pression dite ‘‘pression de réservoir’’, cette pression est l’énergie du puits ou le potentiel qui permet l’écoulement des huiles/ gaz du fond de puits jusqu’aux installations de surface. L’absence de cette énergie résulte des difficultés d’écoulement de l’effluent, ce qui nécessite par conséquence une activation de puits. L’activation des puits peut être réalisée sous forme de deux procédés : L’activation par pompage et le gas-lift. Nous intéressons ici aux moyens d’activation des puits durant DST par l’utilisation de la pompe ESP et ces propriétés spécifiquement. 1. Méthodes d’activation de puits : Dans les puits éruptif, le gisement est exploité grâce à sa propre énergie, par conter dans le cas d’un puits non éruptif, il faut appliquer l’une des méthodes d’activation appelées aussi artificial lifting. 1.1. Gas-lift: Parmi les différentes méthodes d'activation, c'est les procédés qui se rapprochent le plus à l'écoulement naturel. C'est une technique de production activée pour les puits non ou insuffisamment éruptifs. Elle consiste à injecter du gaz comprimé le plus bas possible dans la colonne de production. Cette technique agit : 

Soit sur la densité "d", en allégeant le poids volumique du fluide (le gaz étant plus léger que l'huile) et permettant ainsi au mélange constitué de monter en surface

(Gas-lift continu). 

Soit sur la hauteur "H", en remontant la colonne de fluide se trouvant au-dessus du point d'injection du gaz (Gas-lift intermittent).

1.2. Par pompage : Une pompe placée sous le niveau dynamique de fluide dans le puits relève le brut jusqu’en surface, c’est un procédé mécanique utilisé généralement dans les puits qui ne sont pas profonds.

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Il existe plusieurs types de pompages, les modes les plus répandus dans le monde sont : 1.2.1. Pompage aux tiges : Une pompe volumétrique de fond fonctionne depuis la surface par l’intermédiaire de tige et d’un système de va-et-vient (tête de cheval), elle est équipée par deux clapets l’un est fixe et l’autre mobile. Au cours de la remontée de tige il y'aura un dégagement de l'effluent qui se trouve dans le tubing et une diminution de celui qui se trouve dans la chambre et par la suite l'ouverture de la bulle inférieure ce qui permet de l'effluent d'occuper la chambre, et ainsi de suite l'opération se fait.

1.2.2. Pompage centrifuge :

Une pompe centrifuge est descendue à sa cote dans le casing, suspendue à l'extrémité du tubing de production. L'énergie électrique est acheminée au moteur par un câble déroulé et fixé par des colliers au tubing au fur et en fonction de la descente de celui-ci. En surface, une tête de tubing spéciale munie de joints d'étanchéité permet la sortie du câble à l'extérieur vers une armoire de commande. Une duse réglable permet d'ajuster l'écoulement en augmentant ou en diminuant la contre-pression sur la pompe. En cas de défaillance sur l'unité de fond, il convient de remonter l'ensemble tubing-pompe pour réparation. Ce type de pompage est l’objectif de notre étude, on le développera dans ce que suit. 2. Paramètres de détermination d’un moyen d’activation : Si un procédé est choisi pour l'activation d'un puits, il devra alors permettre de récupérer un maximum de brut (pétrole) le plus vite possible et avec un moindre coût. Des critères sont prises en considération pour déterminer un procédé d'activation aux autres procédés, citons : 2.1. Critères économiques : Il est malheureusement difficile d'avoir une évaluation globale du coût d'un moyen d'activation dans l'investissement initiale, même si on peut avoir le coût du matériel spécifique nécessaire pour l'activation (compresseur, pompes, unité de pompage, tiges de pompage…). Le coût d'exploitation d'un puits activé par un des moyens d'activation peut aussi varier selon les propriétés du puits et de sa situation. 2.2. Critères techniques :

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Pour choisir un moyen d'activation, il faut étudier sa compatibilité avec la nature du puits, sa position, ses caractéristiques, et les conditions de son future exploitation : 

La profondeur et la température de fond.



La déviation du puits (puits dévié ou non).



Problèmes de dépôt (paraffines, sulfates, carbonate) et de corrosion.



Disponibilité des technologies de l'exploitation et de l'automatisation plus ou moins avancée.

3. Définition de la pompe ESP : Le système de pompage électrique submersible est constitué d'un moteur électrique et une pompe centrifuge fonctionne dans la colonne de production et il est relié au mécanisme de commande et le transformateur qui sont au niveau de la surface par le biais d'un câble d'alimentation électrique. Les équipements du fond sont suspendus à la colonne de la production juste au-dessus des perforations du puits. Et dans la plupart des cas, le moteur est fixé sur la base de la garniture de travail. Au-dessus du moteur il y’a le protecteur, ensuite la prise de fluide (intake) et parfois un séparateur du gaz, et enfin la pompe. Le câble électrique est branché dans le sommet du moteur.

4. Principe de fonctionnement : Le fluide qui vient du réservoir, doit passer par le moteur afin de le refroidir et lorsqu’il arrive à la prise (intake), il rentre dans la pompe. Cette dernière qui est constituée des plusieurs étages qui sont disposés sous forme des combinaisons (aube/diffuseur) vont augmenter la pression de fluide jusqu’à la pression nécessaire pour traverser le réseau de collecte et atteindre le séparateur. Le mécanisme de commande au niveau de la surface fournit la puissance nécessaire au moteur et protège les équipements de fond de l'ESP. La conception de système de commande du moteur change en complexité de très simple jusqu'à très sophistique, offrant des nombreuses options et apporte une amélioration des méthodes de commande pour la protection et de la surveillance des opérations. 5. Composition d’un système ESP : Le système de la pompe submersible a des performances très larges, c’est une méthode de récupération très souple, à cause d’une flexibilité excellente de la commande de

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vitesse et par conséquence une flexibilité dans le choix de débit en allant de 150 à 40.000 bbl/d, À l’égard de la qualité de fluide pompé, la pompe peut manipuler un fluide de haut GOR, mais les grands volumes de gaz peuvent fermer le passage de fluide vers le haut et détruire la pompe. L’utilisation des matériaux et des revêtements métalliques spéciaux améliorent considérablement la résistance à la corrosion et permet de manipuler des fluides chargés en particules abrasives et de sable. Le système est constitué principalement de : 5.1. Pompe ESP : Une pompe centrifuge constituée de : 

L'arbre de rotation (shaft) est relié au protecteur et au l’arbre de moteur .Il a pour fonction principale de transmettre le mouvement de rotation et le couple produits par le moteur aux aubes qui sont placées dans les étages de la pompe.



Les étages de la pompe sont des composants qui donnent une élévation de pression au fluide. Un étage est constitué d’une aube tournante et d'un diffuseur stationnaire, qui représentent les composants principaux de la pompe centrifuge.

L’aube reçoit la puissance de l'axe tournant et accélère les particules de fluide, et le diffuseur transforme la vitesse élevée de fluide (énergie cinétique) en pression.

+++++++ Une pompe ESP est une pompe centrifuge à plusieurs étages dont les étages sont empilés, les exigences de fonctionnement du puits et la conception de son achèvement dictent le nombre d’étages. Chaque étage contient une roue rotative et des diffuseurs fixes en fonte à haute teneur pour minimiser les dommages dus à l’abrasion ou à la corrosion. Lorsque le fluide pénètre dans le premier étage de la pompe ESP, il passe à travers une aube et le fluide est centrifugé radialement vers l’extérieur, gagnant de l’énergie (pression) sous forme de vitesse.

5.2. Séparateur de gaz : Pour réduire la quantité de gaz libre, un séparateur est installé juste à l’entrée de fluide dans la pompe. Il améliore la ségrégation du gaz libre et le dévier vers l’annulaire, deux types de séparateur de gaz sont disponible the cup type et centrifugal type, le premier type fait la ségrégation du gaz par un changement brusque de la direction de débit et le second type sépare le gaz léger du liquide lourd par une force centrifuge crée par le moteur et transmise

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par l’arbre de rotation vers des rotors qu’ils sont placés dans le séparateur, et pour les deux cas c’est la force centrifuge provient le changement de direction de fluide qui favorise la ségrégation, Ils sont capable de séparer un pourcentage qui dépasse 20% du gaz avant d'entrer dans la pompe.

++++++Dans les puits caractérisés par des rapports Gaz/Huile (GOR° relativement élevés et faibles pressions, les fluides produits peuvent contenir des quantités de gaz libre. Les pompes ESP sont sensibles aux problèmes de fonctionnement, notamment la cavitation ou le blocage du gaz libre à volume élevé, ce qui peut réduire la durée de vie de la pompe. Dans ces applications, un séparateur de gaz est installé juste à l’entrée de fluide dans la pompe pour séparer le gaz du fluide du puits avant qu’il entre dans la pompe. Si la quantité de gaz libre dépasse une limite désignée, un dispositif de traitement du gaz peut également être installé en aval du séparateur.

5.3. Moteur électrique submersible : Le moteur de ESP est de type d’induction, bipolaires, triphasique. Une conception bipolaire signifie qu'il fonctionne avec une fréquence de 60 hertz équivalent de 3600 t/min dont la vitesse de fonctionnement réelle est approximativement 3500 t/min. il produit une puissance triphasique en travaillant dans une gamme de potentiel en allant de 230V jusqu’à 5000V. Généralement, la longueur et le diamètre donne une estimation de la puissance du moteur. Puisque le moteur n'a pas un câble électrique allongé sur sa longueur, il est fabriqué avec un diamètre légèrement plus grand que la pompe et le protecteur.

5.4. Protecteur (seal section)

Placé entre l'axe du moteur et la pompe ou l'axe de séparateur. Il permet l'expansion d'huile diélectrique contenue dans le moteur suite à l'augmentation de la température due à la haute température géostatique du fluide de réservoir et l’échauffement du moteur. Le joint est conçu pour recevoir cette expansion et réduire la contrainte sur la chambre à huile. La différence de pression entre l'espace annulaire et le fluide diélectrique du moteur peut causer un échappement du fluide de réservoir dans le moteur. La présence de ce joint empêche les fluides du réservoir de passer en égalisant cette différence de pression. Ainsi que

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ce protecteur est équipée par une butée (thrust bearing) qui absorbe la poussée axiale vers le bas (down-thrust) qui manifeste au niveau de la section de l’axe.

5.5. Armoire de contrôle:

L'armoire de contrôle est un dispositif utilisé pour assurer un démarrage progressif du moteur avec protection, elle fournit également la possibilité de surveiller le système de production avec l'utilisation d'un appareil d'enregistrement.

5.6. Moniteur de pression et de température

Les besoins de changer la dimension de la pompe, le débit ou faire un workover du puits peuvent être déterminés quand des données actuelles sur la pression du réservoir sont valables. Et pour cela un moniteur utilisé pour la mesure conjugale de la pression et la température du fond de puits, ayant la possibilité d'enregistrer spontanément et sans interruption les deux paramètres, afin de détecter les défiances électriques, et régler la vitesse de fonctionnement en utilisant le VSD (variable speed drive).

5.7. Le câble

Des câbles électriques de trois phases sont employés pour transmettre la puissance de la surface jusqu'au moteur submersible. Ils doivent être de petits taille et bien protégés contre l'environnement agressif au fond de puits. 5.8. Sensor :

!

Les opérateurs peuvent installer des capteurs de fond qui acquièrent en continu des mesures du système en temps réel, telles que les pressions et les températures de refoulement et d’admission de la pompe, les taux de fuite de vibration et d’ondes. En général, les utilisateurs surveillent les pompes au moyen de systèmes SCADA (), qui servent de référentiels centraux pour les données de tous les capteurs de fond et peuvent initier des actions via des contrôles ou des alertes liés. Lorsqu’il détecte une lecture de pompe hors des niveaux prédéfinis, un capteur alerte l’opérateur en temps réel et peut être activé pour modifier les réglages de la pompe via une télécommande.