WO2015124537A1 - Ligne de transmission mise en oeuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage et un tube de production, avec utilisation de rouleaux de matériau magnétique - Google Patents

Ligne de transmission mise en oeuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage et un tube de production, avec utilisation de rouleaux de matériau magnétique Download PDF

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WO2015124537A1
WO2015124537A1 PCT/EP2015/053236 EP2015053236W WO2015124537A1 WO 2015124537 A1 WO2015124537 A1 WO 2015124537A1 EP 2015053236 W EP2015053236 W EP 2015053236W WO 2015124537 A1 WO2015124537 A1 WO 2015124537A1
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tube
magnetic material
transmission line
production
casing
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Jean-Alain Chabas
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Tronico
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency

Definitions

  • Transmission line implemented in a pipeline of the type comprising a calving tube and a production tube, using rolls of magnetic material.
  • the field of the invention is that of pipelines intended to transport substances (that is to say liquids and gases (fluids), sludges, powders, masses of small solids, etc.) which can flow, in particularly (but not exclusively) appropriate pipelines for use in downhole environments, such as underground pipelines used in the oil and gas industry (exploration and production).
  • substances that is to say liquids and gases (fluids), sludges, powders, masses of small solids, etc.
  • the invention relates to a technique for producing a transmission line of a time-varying electric current (alternating current for example) between a surface equipment and at least one downhole equipment, the transmission line being implementation in a pipe of the type comprising an electrically conductive casing tube and an electrically conductive production tube and housed inside the casing tube.
  • a time-varying electric current alternating current for example
  • This technique finds its field of application in all the fields where a variable electric current (whatever its form) is transmitted in a pipe of the aforementioned type, among others and in a nonlimiting way to ensure a transmission of energy along this pipe, communicate along this pipe, or dissipate heat in the pipe from this electric current.
  • the present invention applies in particular, but not exclusively, in the case of a well already drilled and being produced.
  • Figure 1 represents for illustrative purposes an example of a well in production.
  • a casing tube 11 (or "casing" in English) is generally lowered into steel which is held in place by an injection of cement into the casing. annular space 13 between him and the well.
  • the well is then confined by styling it with a steel wellhead 14 through which a steel production tube 12 (or “tubing") is lowered into the underground zone of the deposit.
  • the production tube 12 (tubing) whose role is to return the effluent to the surface, passes through a containment member 15 (or "packer” in English) of steel or elastomer which seals the bearing zone with respect to the annular space 18 defined between the production tube 12 and the casing tube 11.
  • This annular space 18 is filled with an inert substance such as, for example, water, gas or gelled gas oil.
  • the production tube 12 is kept centered with respect to the casing tube, by means of the containment member 15 and one or more centering ring (s) 16 (or “clamps” in English) of metal or material composite.
  • the production tube 12 carries one or more cylindrical housings (or boxes) 17, which each contain, in known manner, downhole equipment such as, for example, measuring sensors, valves, pumps, etc. .
  • multi-line electrical cables have been used to provide electrical power for downhole equipment, upstream measurement and transmission of control commands generated by the master equipment at the surface.
  • the descent of cables comprising sensors or to be connected to sensors or control members located at depth is a delicate and expensive operation and can not be carried out in all cases, especially when the drilled well is in operation or when valves or separation members can not be crossed by cables with or without sensors.
  • a measurement technique consisting of transmitting information by pressure pulses ("Mud dip") in the sludge circulation channel constituted by the tubes being drilled.
  • This sludge modulation technique has proved very reliable but very inefficient, and is limited to wells being drilled with sludge circulation and not in wells in production or undergoing testing, for example.
  • electromagnetic transmission systems in which it is proposed to use a portion of the metal casing tube (casing) as a transmitting-receiving antenna device. It is actually to circulate electric currents in the ground from a source and to capture what remains of these currents at a distance.
  • the performance of the electromagnetic transmission is dependent on the average electrical resistivity of the surrounding geological formations at the well. If the resistivity of some layers does not meet certain criteria, then the attenuation may become too great along the well. This can result in the unacceptable reduction of the data rate that is transmitted or the inability to communicate on the desired path.
  • the downhole sensors are generally powered by a battery.
  • a battery To achieve the new progress in production performance that the oil and gas industry now requires, wells must be equipped with a large number of sensors that must be solicited more and more frequently and over very long periods of time, for example more than ten years. Under these conditions, the use of a battery as a power source is not a reliable and durable solution over time, or even often is an impossible solution.
  • Another known technique is to propagate information by acoustic vibrations, either in the liquid effluent or in the metal structure of the tubing. Good as commonly used, this technique allows only short-distance communications, attenuation and distortion of vibration along the tubing being quickly penalizing. In addition, as in the case of electromagnetic communications, it is necessary to have energy well bottom to feed the element, with all the disadvantages already mentioned.
  • tubing 12 and casing 11 are electrical connection between tubing 12 and casing 11 (second short circuit) if it is metal, or by a specific short-circuit element (made by various simple and well known means), if the packer 15 is elastomeric.
  • a known solution consists in using this specificity and in transmitting information in the form of a current flowing between these two short circuits, as shown in FIG. 2.
  • An injection coil 5 is traversed by an alternating current and induced in the tubing. 12 an electric current 7 which circulates in the tubing assembly 12, casing 11, wellhead 14 and packer 15. This current is captured by a bottom coil 6 which can thus use it to receive information and / or energy to eat.
  • this technique presents numerous difficulties, particularly in the production of current injection transformers and the transformers for collecting this current.
  • Another very advantageous technique consists in using a transmission in voltage, but supposes to be able to isolate the short circuits mentioned above.
  • the use of insulating materials 22, 23 for the tubing element 12, as illustrated in Figure 3, is substantially impossible given the specific constraints of a completion. Indeed, the forces (pressure, traction, flexion) supported by a tubing element are such that it is impossible to use anything other than steel. No electrically insulating material is reliable in such an environment.
  • the transmission line allows a surface equipment 29 to transmit data and / or energy to a downhole equipment 17.
  • This transmission line comprises the casing 11 and the tubing 12, and more specifically a portion of the tubing whose two ends are surrounded by two elements of magnetic material 20, 21.
  • the bottom equipment 17 is connected on the one hand to the tubing 12 (for example by direct electrical contact between the outer wall of the tubing 12).
  • the surface equipment 29 is connected by a first wire 24 to the wellhead 14 and a second wire 25 to the tubing 12. It is clear that the second wire 25 can be connected to the tubing 12 only below. the element (rings) of magnetic material 20, which leads to passing the second wire 25 along the element (rings) 20. At this level, several problems arise:
  • the magnetic field 51 generated by the electric current flowing in the wire 25 will penetrate the magnetic material of the rings of the element 20 from the outside, and thus the wire 25 will be affected by an inductance in series, opposing the passage of the said current. This is absolutely unwanted and harmful to the functioning of the system;
  • This magnetic field 51 penetrating the magnetic material will generate within it a flow, which in a power device, can be very consequent. This induces significant hysteresis losses, dissipating the energy into unwanted heat, potentially dangerous for the system. This is an important limitation of the system and this wire is clearly a critical element of the system.
  • Another usual constraint in a completion is to have to circulate one or more lines of power transmission, hydraulic or electric ("power Unes" in English).
  • the lines carry fluids under pressure, for example oil which, by applying a high pressure, opens the valves of security of completion and thus to start producing.
  • Other fluids are chemical additives that are added to the effluent to modify its properties.
  • these lines are made of steel tube of diameter usually between 0.5 to 0.25 inches. The passage of these lines poses a problem since if no precaution is taken, their conductive structure bypasses the elements (rings) of magnetic material 20, 21 and prevents the operation of the transmission line.
  • the invention aims to overcome these various disadvantages of the prior art.
  • an objective is to provide a technique for producing a transmission line as discussed above, with elements made of magnetic material that are easy to produce, while being capable of to provide the required insulation with an acceptable level of quality.
  • Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide elements of magnetic material capable of operating under very strong currents, without penalizing heating.
  • Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide magnetic material elements of a size compatible with the completions required for oil and / or gas and / or geothermal exploration and production.
  • Another object of at least one embodiment of the invention is to provide magnetic material elements capable of reliably operating over long periods of time in the installations required for oil and / or gas exploration and production. / or geothermal.
  • Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide a solution to the problem discussed above of the passage of power transmission lines (hydraulic or electrical).
  • Another objective of at least one embodiment of the invention is to propose a transmission line that can be mounted quickly and easily, with the usual methods and tools of completion.
  • Another objective of at least one embodiment of the invention is to provide a transmission line of this type whose manufacturing cost remains limited. 4. PRESENTATION OF THE INVENTION
  • a transmission line of a time-varying electric current between a surface equipment and at least one downhole equipment said transmission line being implemented within a conduit of the type comprising an electrically conductive calving tube and an electrically conductive production tube and housed within the casing tube, a portion of said transmission line comprising: a portion of the casing tube or tube of production ; and two elements of magnetic material, each surrounding one end of said portion of the casing tube or the production tube.
  • Each element of magnetic material comprises at least one roll of magnetic material composed of a sheet of magnetic material continuously wound in at least two turns, said at least one roller having a central cavity in which passes one of the ends of said portion of the tube casing or tubing.
  • the general principle of the invention therefore consists in producing the elements of magnetic material, in the form of rolls each composed of a sheet (also called tape) of magnetic material wound continuously in at least two turns.
  • this embodiment allows great flexibility in the constitution of the magnetic material elements. Indeed, it is easy to give them the required thickness by adapting the number of turns of the winding. It is also easy to make a roll of any kind of shape, by appropriately choosing the mandrel around which the winding is to be made. Non-circular shapes are quite compatible with existing winding machines. All particularly, and without limitation, it is easy to make ovoid rollers, whose interest is explained below.
  • Another advantage of this embodiment is that it makes it possible to use magnetic materials that exist only in the form of a rolled strip (sheet), and therefore no longer be limited to solid materials.
  • said at least one roll of magnetic material does not comprise electrically insulating material between two turns of the sheet of magnetic material.
  • each element of magnetic material comprises at least two rolls of magnetic material placed adjacently along said portion of the calving tube or the production tube.
  • At least one energy transmission line hydraulic or electrical, passes into a space of the central cavity not occupied by said portion of the casing tube or the production tube.
  • the element made of magnetic material includes the power transmission line or lines ("power unes"), which makes it possible to neutralize the short-circuit effect that they cause.
  • the power transmission line or lines (“Power Unes") surrounded by the element made of magnetic material constitute (s) an inductance sufficiently high not to disturb the transmission line.
  • the central cavity has an ovoid shape.
  • Said portion of the casing tube or the production tube has an outer section of circular shape.
  • Said at least one energy transmission line passes into the remaining space between the ovoid shape and the circular shape.
  • the central cavity has a first circular shape having a first diameter.
  • Said portion of the casing tube or the tube of production has an outer section of second circular shape having a second diameter smaller than the first diameter.
  • Said portion of the casing tube or the production tube is mounted eccentrically inside the central cavity. Said at least one energy transmission line passes into the remaining space between the first and second circular shapes off-center with respect to each other.
  • said magnetic material is a magnetic metal.
  • said magnetic metal is a nanocrystalline magnetic steel.
  • nanocrystalline magnetic steels are particularly favorable by the high permittivities they present as well as by their low eddy current losses. Precise measurements show that these materials implemented according to the invention are able to work without annoying losses up to several hundred kilo Hertz. In addition, the very high magnetic permeabilities available allow compact practical achievements in the context of a hydrocarbon completion.
  • each element of magnetic material is surrounded by a protective envelope.
  • the protective envelope provides a protective function of the element made of magnetic material (roll (x)) against external mechanical aggression.
  • said portion of the casing tube or the production tube comprises a plurality of successive tube elements from a first tube element to a last tube element, each tube element being provided at each end of the tube. a connection for cooperating with a connection of another adjacent tube member.
  • the first tube element forms one of the ends of said portion of the casing tube or the production tube, and is surrounded by one of the two magnetic material elements.
  • the last tube member forms the other end of said portion of the casing tube or the production tube, and is surrounded by the other of the two magnetic material elements.
  • a well is proposed for gas and / or oil and / or geothermal exploration or production, this well comprising a transmission line according to any of the embodiments of the invention. - above.
  • a magnetic material element adapted to be used in a transmission line of a time-varying electric current between a surface equipment and at least one background equipment.
  • said transmission line being implemented in a pipe of the type comprising an electrically conductive casing tube and an electrically conductive production tube and housed inside the casing tube, a portion of said transmission line comprising : a portion of the casing tube or production tube; and two elements of magnetic material, each surrounding one end of said portion of the casing tube or the production tube.
  • Said element made of magnetic material comprises at least one magnetic material roll composed of a sheet of magnetic material continuously wound in at least two turns, said at least one roller having a central cavity adapted for the passage of one end of said portion of the casing tube or production tube.
  • FIG. 2 already described above in relation to the prior art, represents a production well comprising a transmission line according to a first known technique (current operation), using an injection coil and a coil background ;
  • Figure 3 already described above in connection with the prior art, represents a production well comprising a transmission line according to a second known technique (voltage operation), with use of insulating materials surrounding the ends of the tubing;
  • FIG. 4 already described above in relation with the prior art, represents a production well comprising a transmission line according to a third known technique (voltage operation), with use of magnetic material elements surrounding the ends of the tubing;
  • FIG. 5 already described above in relation to the prior art, shows a known embodiment of the magnetic material elements appearing in FIG. 4, as well as the necessary cable passage and the magnetic field generated by this cable;
  • FIG. 7 represents a production well comprising a transmission line (voltage operation) according to a particular embodiment of the invention.
  • Figure 8 showing the principle of making a roll of magnetic material (elementary ring) according to the invention, from a ribbon (sheet) of metal;
  • FIG. 9 illustrates a partial view of a suitable tubing element, according to one particular embodiment of the invention (this partial view shows an element made of magnetic material held by rings);
  • FIG. 10 illustrates a partial view of a suitable tubing element, according to one particular embodiment of the invention (with respect to the partial view of FIG. 9), this complete view also shows a metal protection and connection tube. electrical, a wire connected to this tube, and finally power transmission lines);
  • FIG. 11 illustrates more precisely an embodiment of the passage of the energy transmission lines, between the internal wall of a material element. Magnetic ovoid shape and the outer wall of a circular shaped production tube.
  • FIG. 7 represents a production well comprising a transmission line (voltage operation) according to a particular embodiment of the invention.
  • a line of transmission of a time-varying electric current for example an alternating current
  • This transmission line is implemented within a pipe of the type comprising an electrically conductive casing pipe 11 and an electrically conductive production tube (tubing) 12 housed inside the casing pipe.
  • a portion of the transmission line comprises a portion of the tubing 12 and two elements of magnetic material, each surrounding one end of this portion of the tubing 12.
  • a portion of the transmission line comprises a portion of the casing 11 and two elements of magnetic material, each surrounding one end of this portion of casing 11.
  • each of the magnetic material elements 70, 71 comprises at least one roll of magnetic material composed of a sheet of magnetic material wound continuously in at least two turns. There is no electrically insulating material between two turns of the sheet of magnetic material.
  • Each roller has a central cavity in which passes one of the ends of the aforementioned portion of the tubing 12.
  • the general principle consists in producing each element of magnetic material 70, 71, in the form of a roller, or several adjacent rollers.
  • FIG. 7 there is referenced 76 a suitable tubing element placed at the top of the well 1, and 77 a suitable tubing element placed at the bottom of the well 1.
  • these two adapted tubing elements 76, 77 can be identical.
  • a particular embodiment of these adapted tubing elements is presented below in detail, in connection with FIGS. 9 and 10.
  • each roller 81 is made from a ribbon (sheet) of magnetic material 80 with suitable magnetic properties.
  • This is for example a sheet of magnetic metal, and more particularly a nanocrystalline magnetic steel sheet.
  • the roller 81 is constituted by rolling, continuously and in at least two turns, on a mandrel of suitable size. This winding is performed until the required thickness of the roll.
  • the central cavity 83 of the roll is a function of the shape of the mandrel. If the mandrel is circular in shape, the roll is a ring. The first turn is immobilized by any means deemed adequate such as gluing or welding 82. Similarly for the last turn.
  • Another advantage of the embodiment in the form of roll (x) 81 is that it makes it possible to use materials that exist only in the form of a rolled strip, and to no longer be limited to solid materials.
  • the use of nanocrystalline steels is particularly favorable by the high permittivity they present, as well as by their low eddy current losses. Precise measurements show that these materials, implemented in roll form (x), are able to work without annoying losses up to several hundred kHz.
  • the very high magnetic permeabilities available allow compact practical achievements in the context of a hydrocarbon completion.
  • this coating can for example be made from varnish, epoxy coatings, or elastomers of all types.
  • this coating can be made from varnish, epoxy coatings, or elastomers of all types.
  • Figure 9 illustrates a partial view of a suitable tubing element 76 (see Figure 7), according to a particular embodiment of the invention. It comprises a standard tubing element 90 surrounded by a magnetic material element 70.
  • Standard tubing 90 meets standard and industry standard sections. Each end is provided with connections 91, 92 standardized in oil and gas production trades, such as API, VAMTOP or other connections.
  • the adapted tubing element 76 can be inserted and be part of the tubing 12 of the completion, like any other tubing element of this completion, without creating particular installation constraints.
  • the rollers 81 are for example threaded, by their central cavity 83, from one end of the standard tubing element 90.
  • the number of rollers is determined by the value of the inductance to be produced, as well as by the characteristics magnetic material used. Classically, a few tens of centimeters to a few meters are practically usable values.
  • the element made of magnetic material 70 comprises five rolls of magnetic material 81.
  • the number of rollers 81 depends on the width 1 of the ribbons 80 in which they are made, as well as the desired length L for the element made of magnetic material 70.
  • the rollers 81 may be circular and be concentrically placed around the standard tubing member 90.
  • the element of magnetic material 70 includes power transmission lines to allow to neutralize the effect of short circuit that they cause.
  • the rollers 81 have a circular central cavity 83, and are mounted off-center around the standard tubing member 90.
  • magnetic rolls of inner diameter greater than the outer diameter of the standard tubing element 90 and they are decentered during assembly. Decentering frees a space in the central cavity of the rollers 81 for the passage of the power transmission lines.
  • the central cavity 83 of the rollers 81 has an ovoid shape.
  • the standard tubing member 90 has an outer section of circular shape.
  • the energy transmission lines 98 pass into the remaining space between the ovoid shape and the circular shape.
  • Other implementations mechanical arrangements are possible provided that the power transmission lines are contained in the central cavity 83 of the magnetic rollers 81.
  • the assembly of magnetic rollers 81 (forming the element of magnetic material 70) is maintained by the rings 94, 95 (or any other known means).
  • the first ring 94 placed on the lower part of the standard tubing element 90, is made of metal so as to ensure electrical continuity with the standard tubing element 90.
  • any type solution can be adopted, such as clamping the pieces together and the choice of suitable metals.
  • this first ring 94 must be able to support the weight of all rollers 81 located above it.
  • the steel constitution is it an extremely interesting element, by proven resistance to this type of effort. It is advantageous, although not essential to use the same type of steel as that constituting the standard tubing element 90.
  • the second ring 95 placed on the upper part of the standard tubing element 90, holds the other end of the roller assembly 81.
  • This second ring 95 is made of a material capable of withstanding the forces and the environment, but also able to provide quality electrical insulation. Being placed on the upper part, this second ring 95 does not undergo significant mechanical effort in completion. Its constitution in insulating material is not penalizing on a mechanical level. Various types of materials are usable, but the most advantageous is to use machined plastics, such as PEEK for example.
  • a protective and electrically conductive envelope (preferably a cylindrical metal tube) 72 (73 for the adapted tubing element 77 in the lower part, in FIG. 7) encompassing all of the magnetic rollers 81.
  • this tube 72 is partially omitted so that the magnetic material member 70 is visible.
  • This tube 72 provides several functions. The first is the protection function of magnetic rollers 81 against external mechanical aggression.
  • this tube 72 is for example made of a thick metal capable of sustainably withstand these attacks. For example, it could be made in the same steel as the tubing and have a thickness of 10 millimeters.
  • the tube 72 contributes to the mechanical rigidity and overall strength of the assembly by the fasteners at the rings 94 and 95. Thus constituted, the assembly is compact and robust to external aggressions.
  • the second function is to conduct the electricity of the conductive ring 94 to the insulating ring 95. In other words, it provides electrical continuity between two points or elements of the transmission line, located on both sides.
  • the tube 72 is made of conductive material adapted to the current to be circulated. In practice, most steels are able to perform this function.
  • a metal tube 72 surrounding the magnetic element 70 is particularly advantageous for making an electrical connection instead of a cable (see 4 and 5 describing the prior art, with the passage of a wire Along the element made of magnetic material).
  • a hollow cylinder traversed by an electric current generates a magnetic field outside of its envelope, but does not generate a magnetic field inside.
  • the conducting tube 72, traversed by a current will not produce any magnetic field inside the element of magnetic material 70.
  • this current will not be affected by any inductance related to the magnetic rollers 81, which is extremely advantageous.
  • this current can not induce flux in the magnetic rollers 81 and thus cause magnetic saturation, which would immediately generate heat losses.
  • This particular arrangement thus ensures the passage of current along the magnetic function without any of the known disadvantages.
  • a conductive element (for example a wire or a cable) 75 has an end electrically connected to the end of the conductive tube 72 located on the side of the insulating ring 95.
  • This conductive element 75 has another end electrically connected to the surface equipment 29.
  • the conductive element 75 is placed, within the adapted tubing element 76, against the outer wall of the part of the standard tubing element 90 not surrounded by the element made of magnetic material 70.
  • a conductive element for example a wire or a cable
  • This conductive element 74 has another end electrically connected to the bottom equipment 17.
  • the conducting element 74 is placed, within the adapted tubing element 77, against the outer wall of the part of the standard tubing element 90 not surrounded by the magnetic material element 71.
  • the wire or cable 74 is absent (or present but not connected) and the metal tube 73 surrounding the magnetic element 71 is not used for the second function (conduct electricity).
  • the bottom equipment 17 is connected on the one hand to the tubing 12 (for example by direct electrical contact between the outer wall of the tubing 12 and a metal blade (not referenced) carried by the inner wall of the equipment. bottom 17), and secondly casing 11 (for example by direct electrical contact between the inner wall casing 11 and a metal blade 26 carried by the outer wall of the bottom equipment 17).
  • the proposed technique also applies with magnetic material elements surrounding a standard casing element.
  • the proposed technique applies to the different cases, described in US2002 / 0036085, the use of magnetic material elements in a transmission line within a pipe.
  • the technique of using magnetic material elements 70, 71 made in the form of a roll (x) 81 is not combined with the technique of using a protective and electrically conductive envelope (preferably a metal tube cylindrical) 72, 73.
  • a wire is passed along each element made of magnetic material 70, 71 (in spite of the problems described above).

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Abstract

Il est proposé une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface (29) et au moins un équipement de fond (17), ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage (11) électriquement conducteur et un tube de production (12) électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant: une portion du tube de cuvelage ou du tube de production; et deux éléments en matériau magnétique (70, 71), entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production. Chaque élément en matériau magnétique (70, 71) comprend au moins un rouleau de matériau magnétique composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours, ledit au moins un rouleau possédant une cavité centrale dans laquelle passe une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.

Description

Ligne de transmission mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de eu vêlage et un tube de production, avec utilisation de rouleaux de matériau magnétique.
1. DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui des canalisations destinées à transporter des substances (c'est-à-dire des liquides et gaz (fluides), boues, poudres, masses de petits solides, etc.) qui peuvent s'écouler, en particulier (mais non exclusivement) des canalisations appropriées pour être utilisées dans des environnements de fond de puits, tels que des canalisations souterraines utilisées dans l'industrie gazière et pétrolière (exploration et production).
Plus précisément, l'invention concerne une technique de réalisation d'une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps (courant alternatif par exemple) entre un équipement de surface et au moins un équipement de fond, la ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage électriquement conducteur et un tube de production électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage.
Cette technique trouve son champ d'application dans tous les domaines où un courant électrique variable (quelle que soit sa forme) est transmis dans une canalisation du type précité, entre autre et de manière non limitative pour assurer une transmission d'énergie le long de cette canalisation, communiquer le long de cette canalisation, ou encore dissiper de la chaleur dans la canalisation à partir de ce courant électrique.
La présente invention s'applique notamment, mais non exclusivement, dans le cas d'un puits déjà foré et en cours de production.
2. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Dans la suite de la description, on a plus particulièrement cherché à décrire des problèmes existant dans le domaine des canalisations métalliques souterraines, notamment de forages et de puits dans l'écorce terrestre. Il va de soi que l'invention ne se limite pas à ce domaine d'application particulier mais qu'elle présente un intérêt dans n'importe quel contexte où l'on cherche à établir une communication entre un équipement de fond (aussi appelé équipement esclave) installé à poste fixe dans une canalisation et un équipement de surface (aussi appelé équipement maître) installé en surface.
La figure 1 représente à des fins d'illustration un exemple de puits en production.
Pour équiper un puits 1 pour la production d'effluents et notamment de fluides pétroliers, on y descend généralement un tube de cuvelage 11 (ou « casing » en anglais) en acier que l'on maintient en place par une injection de ciment dans l'espace annulaire 13 entre lui et le puits. On confine alors le puits en le coiffant d'une tête de puits 14 en acier au travers de laquelle on descend un tube de production 12 (ou « tubing » en anglais) en acier jusque dans la zone souterraine de gisement. Le tube de production 12 (tubing), dont le rôle est de remonter l'effluent jusqu'à la surface, passe à travers un organe de confinement 15 (ou « packer » en anglais) en acier ou élastomère qui assure l'étanchéité de la zone de gisement par rapport à l'espace annulaire 18 défini entre le tube de production 12 et le tube de cuvelage 11. Cet espace annulaire 18 est rempli d'une substance inerte telle que, par exemple, de l'eau, du gaz ou du gasoil gélifié. Le tube de production 12 est maintenu centré par rapport au tube de cuvelage, au moyen de l'organe de confinement 15 et d'une ou plusieurs bague(s) de centrage 16 (ou « clamps » en anglais) en métal ou en matériau composite. Comme illustré, le tube de production 12 porte un ou plusieurs boîtiers (ou coffrets) cylindriques 17, qui renferment chacun de façon connue des équipements de fond de puits tels que, par exemple, des capteurs de mesure, des vannes, des pompes, etc.
En matière de forage et de puits pétroliers, notamment, il est très important de pouvoir soit transmettre en surface depuis le fond du puits foré des paramètres appréhendés par les capteurs de mesure fournissant des indications utiles de tout ordre pour l'exploitation du gisement, par exemple, des mesures de pression, des informations sur la nature des fluides et solides rencontrés, des mesures de température, etc., soit de transmettre depuis la surface des ordres de commande aux appareillages et organes divers (vannes, opercules, pompes etc.) localisés en fond de puits.
Traditionnellement, on utilise des câbles électriques multi-lignes pour assurer l'alimentation électrique des équipements de fond de puits, la remontée des mesures et la transmission des ordres de commande générés par l'équipement maître en surface. Toutefois, la descente de câbles comportant des capteurs ou devant être connectés à des capteurs ou organes de commande situés en profondeur est une opération délicate et coûteuse et qui ne peut pas être effectuée dans tous les cas, notamment pas lorsque le puits foré est en exploitation ou lorsque des vannes ou organes de séparation ne peuvent être traversés par des câbles munis ou non de capteurs.
On connaît une technique de mesure consistant à transmettre des informations par des impulsions de pression (« Mud puise ») dans le canal de circulation de boue constitué par les tubes en cours de forage. Cette technique de modulation de boue s'est révélée très fiable mais très peu performante, et est limitée aux puits en cours de forage avec circulation de boue et non pas dans des puits en production ou en cours d'essais, par exemple.
On connaît également les systèmes de transmission dits électromagnétiques, dans lesquels il est proposé d'utiliser une portion du tube de cuvelage métallique (casing) comme un dispositif d'antenne d'émission-réception. Il s'agit en fait de faire circuler des courants électriques dans le sol à partir d'une source et de capter ce qu'il reste de ces courants à une certaine distance. Les performances de la transmission électromagnétique sont dépendantes de la résistivité électrique moyenne des formations géologiques environnantes au puits. Si la résistivité de certaines couches ne répond pas à certains critères, alors l'atténuation peut devenir trop importante le long du puits. Ceci peut se traduire par la réduction inacceptable du débit de données que l'on transmet ou l'impossibilité de communiquer sur le parcours souhaité.
Par ailleurs, dans ces systèmes de transmission électromagnétiques les capteurs de fond de puits sont généralement alimentés par une batterie. Pour accomplir les nouveaux progrès dans les performances de production que demande à présent l'industrie gazière et pétrolière, les puits doivent être équipés de très nombreux capteurs qu'il faut solliciter de plus en plus fréquemment et sur des durées très longues, comme par exemple plus de dix ans. Dans ces conditions, l'utilisation d'une batterie comme source d'alimentation n'est pas une solution fiable et durable dans le temps, voire même souvent est une solution impossible.
Une autre technique connue consiste à propager de l'information par vibrations acoustiques, soit dans l'effluent liquide, soit dans la structure métallique du tubing. Bien qu'utilisée couramment, cette technique ne permet que des communications à courte distance, l'atténuation et la distorsion des vibrations le long du tubing étant rapidement pénalisants. De plus, comme dans le cas des communications électromagnétiques, il est nécessaire de disposer en fond de puits d'énergie pour alimenter l'élément, avec tous les inconvénients déjà cités.
On connaît également des systèmes utilisant le couple tubing/casing comme conducteurs permettant de véhiculer des courants entre les deux extrémités de l'installation. Il est ainsi possible d'échanger des informations de manière bidirectionnelle entre le fond et la surface, tout en fournissant aux dispositifs de fond l'énergie qui leur est nécessaire à partir de la surface. Un des problèmes spécifiques à cette technique est que chaque extrémité de la complétion (i.e. installation) est en court- circuit. En effet, sur la partie supérieure de la complétion, la tête de puits 14 est une pièce métallique massive reliant électriquement tubing 12 et casing 11 (premier court- circuit). De même, en fond de complétion, la liaison électrique entre tubing 12 et casing 11 (second court-circuit) est réalisée par le packer 15, s'il est en métal, ou bien par un élément de court-circuit spécifique (réalisé par divers moyens simples et bien connus), si le packer 15 est en élastomère.
Une solution connue consiste à utiliser cette spécificité et à transmettre de l'information sous forme de courant circulant entre ces deux courts circuits, comme le montre la figure 2. Une bobine d'injection 5 est parcourue par un courant alternatif et induit dans le tubing 12 un courant électrique 7 qui circule dans l'assemblage tubing 12, casing 11 , tête de puits 14 et packer 15. Ce courant est capté par une bobine de fond 6 qui peut ainsi l'utiliser pour recevoir de l'information et/ou de l'énergie pour s'alimenter. Cette technique présente cependant de nombreuses difficultés, tout particulièrement dans la réalisation des transformateurs d'injection de courant et les transformateurs de collecte de ce courant.
Une autre technique très avantageuse consiste à utiliser une transmission en tension, mais suppose de pouvoir isoler les courts circuits précités. L'utilisation de matières isolantes 22, 23 pour l'élément de tubing 12, comme illustré sur la figure 3, est sensiblement impossible compte tenu des contraintes spécifiques d'une complétion. En effet, les efforts (pression, traction, flexion) supportés par un élément de tubing sont tels qu'il est impossible d'utiliser autre chose que de l'acier. Aucune matière électriquement isolante n'est fiable dans un tel environnement.
Une solution à ce problème est connue du document de brevet US2002/0036085, pour autant que l'on n'utilise que du courant alternatif dans le circuit électrique : réaliser une réactance inductive telle que le fonctionnement souhaité soit possible, en entourant un morceau du tubing métallique 12 par des éléments en matériau magnétique 20, 21 , comme le montre la figure 4. On conserve ainsi la capacité classique de l'acier à résister aux contraintes d'environnement mécanique, tout en s 'opposant à la circulation du courant alternatif, réduisant ainsi les effets des courts circuits terminaux. Cependant, cette solution connue n'expose qu'un principe général, qui en tant que tel ne permet pas de réaliser un système fonctionnel. En effet, les matériaux magnétiques présentent des caractéristiques pénalisantes dans l'environnement d'une complétion :
• la plupart des matériaux magnétiques disponibles possèdent des points de Curie difficilement compatibles avec la température de l'environnement, le point de Curie étant la température au-delà de laquelle un matériau magnétique perd ses propriétés magnétiques. De plus, si le système considéré est supposé fonctionner avec un niveau de puissance élevée, l'auto échauffement du matériau magnétique en présence de la dite puissance réduira encore la capacité à fonctionner dans l'environnement thermique ;
• il est connu du document de brevet US2002/0036085 (voir la figure 4b de ce document), pour réaliser les éléments en matériau magnétique, d'utiliser des anneaux concentriques et superposés, séparés entre eux par un matériau isolant. Chaque anneau est une feuille d'un matériau ferromagnétique, enroulée sur un seul tour. Il est proposé de superposer environ soixante anneaux concentriques. Une telle structure à anneaux concentriques et superposés est très difficile à mettre en œuvre technologiquement, rendant la solution peu pratique concrètement ;
• il est également connu, pour réaliser les éléments en matériau magnétique, d'utiliser des anneaux 50 empilés selon l'axe longitudinal du tubing 12, et découpés chacun dans une feuille de métal magnétique, comme montré sur la figure 5. Cette technique est cependant coûteuse car chaque feuille de matériau doit être la plus fine possible. En outre, cette solution est très limitée, car les courants de Foucault générés dans le matériau magnétique sont à l'origine d'une résistance de fuite en parallèle avec l'inductance souhaitée, rendant rapidement la solution caduque. Sur la figure 6 apparaît l'inductance « a » recherchée, mise en parallèle avec une résistance de pertes « b », dont l'origine est précisément ces courants de Foucault. Même l'utilisation de feuilles extrêmement fines, de quelques dizaines de microns, ne permet pas de résoudre le problème. Cela crée de très grandes limitations en fréquence de fonctionnement, en puissance utilisable, en température de fonctionnement et en capacité à réaliser un système de petite taille ;
• il est également connu d'utiliser des matériaux ferrite pour réaliser pour réaliser les éléments (anneaux) de matériau magnétique. Les matériaux ferrite ont l'avantage de ne pas présenter de courant de Foucault et de résoudre totalement le problème exposé ci-dessus. Ils présentent cependant des inconvénients majeurs. Premièrement, la réalisation des inductances requises nécessite d'énormes volumes de matériau ferrite, rendant la solution peu pratique concrètement. En effet, la permittivité magnétique des ferrites est assez faible et l'obtention de fortes valeurs d'inductance passe nécessairement par une augmentation du volume de matériau. Deuxièmement, les anneaux nécessaires passent obligatoirement par une réalisation sur mesure, les tailles standard de ces composants n'étant pas du tout compatibles avec les sections de tubing. Une telle réalisation est possible auprès de plusieurs spécialistes, mais est extrêmement coûteuse. En effet, la fabrication de ces anneaux se fait par frittage sous très forte pression et très forte température. Compte tenu de la taille nécessaire à l'équipement d'un tubing, les moyens à mettre en œuvre sont très conséquents. Cela cumulé au fort volume nécessaire de matériau magnétique conduit à une solution financièrement très pénalisante. Troisièmement, ces anneaux de ferrite sont très cassants et très peu tolérants aux chocs et vibrations, ce qui les rend difficilement aptes à travailler dans cet environnement.
En plus des aspects directement liés au choix du matériau pour la mise en œuvre des éléments (anneaux) de matériau magnétique 20, 21 , se pose le problème du passage d'un fil (ou câble) 25 contre l'élément de matériau magnétique 20 situé en partie haute du tubing 12. Les figures 4 et 5 illustrent le problème posé. Dans cet exemple, la ligne de transmission permet à un équipement de surface 29 de transmettre des données et/ou de l'énergie à un équipement de fond 17. Cette ligne de transmission comprend le casing 11 et le tubing 12, et plus précisément une portion du tubing dont les deux extrémités sont entourées par deux éléments en matériau magnétique 20, 21. Dans cet exemple, l'équipement de fond 17 est connecté d'une part au tubing 12 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi extérieure du tubing 12 et une lame métallique (non référencée) portée par la paroi intérieure de l'équipement de fond 17), et d'autre part au casing 11 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi intérieure du casing 11 et une lame métallique 26 portée par la paroi extérieure de l'équipement de fond 17).
L'équipement de surface 29 est connecté par un premier fil 24 à la tête de puits 14 et par un second fil 25 au tubing 12. Il est clair que le second fil 25 ne peut être connecté au tubing 12 qu'au-dessous de l'élément (anneaux) de matériau magnétique 20, ce qui conduit à faire passer le second fil 25 le long de l'élément (anneaux) 20. A ce niveau, plusieurs problèmes se posent :
• le champ magnétique 51 généré par le courant électrique circulant dans le fil 25 va pénétrer le matériau magnétique des anneaux de l'élément 20 par l'extérieur, et de ce fait le fil 25 va se voir affecter d'une inductance en série, s'opposant au passage du dit courant. Ceci est absolument non désiré et néfaste au fonctionnement du système ;
• ce champ magnétique 51 pénétrant le matériau magnétique va générer en son sein un flux, qui dans un dispositif de puissance, peut être très conséquent. Cela induit des pertes par hystérésis importantes, dissipant l'énergie en chaleur indésirable, potentiellement dangereuse pour le système. Ceci constitue une limitation importante du système et ce fil 25 est clairement un élément critique du système.
Une autre contrainte usuelle dans une complétion est de devoir faire circuler une ou plusieurs lignes de transmission d'énergie, hydraulique ou électrique (« power Unes » en anglais). Dans le cas hydraulique, les lignes véhiculent des fluides sous pression, par exemple de l'huile permettant par application d'une forte pression d'ouvrir les vannes de sécurité de la complétion et ainsi de commencer à produire. D'autres fluides sont des additifs chimiques que l'on rajoute à l'effluent pour modifier ses propriétés. Dans tous les cas, ces lignes sont constituées de tube d'acier de diamètre usuellement compris entre 0.5 à 0.25 pouces. Le passage de ces lignes pose un problème puisque si aucune précaution n'est prise, leur structure conductrice court-circuite les éléments (anneaux) de matériau magnétique 20, 21 et empêche le fonctionnement de la ligne de transmission.
3. OBJECTIFS DE L'INVENTION
Dans au moins un de ses modes de réalisation, l'invention vise à pallier ces différents inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un objectif est de fournir une technique de réalisation d'une ligne de transmission telle que discutée plus haut, avec des éléments en matériau magnétique faciles à réaliser, tout en étant aptes à assurer l'isolation requise avec un niveau de qualité acceptable.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir des éléments en matériau magnétique aptes à fonctionner sous de très forts courants, sans échauffements pénalisant.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir des éléments en matériau magnétique d'une taille compatible avec les complétions nécessaires à l'exploration et la production pétrolière et/ou gazière et/ou géothermique.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir des éléments en matériau magnétiques aptes à fonctionner de manière fiable sur de longues durées dans les installations nécessaires à l'exploration et la production pétrolière et/ou gazière et/ou géothermique.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une solution au problème discuté ci-dessus du passage des lignes de transmission d'énergie (hydraulique ou électrique).
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de proposer une ligne de transmission qui peut être montée rapidement et facilement, avec les méthodes et les outils usuels de complétion.
Un autre objectif d'au moins un mode de réalisation de l'invention est de fournir une ligne de transmission de ce type dont le coût de fabrication reste limité. 4. EXPOSÉ DE L'INVENTION
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface et au moins un équipement de fond, ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de eu vêlage électriquement conducteur et un tube de production électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant : une portion du tube de cuvelage ou du tube de production ; et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production. Chaque élément en matériau magnétique comprend au moins un rouleau de matériau magnétique composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours, ledit au moins un rouleau possédant une cavité centrale dans laquelle passe une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
Le principe général de l'invention consiste donc à réaliser les éléments en matériau magnétique, sous forme de rouleaux composés chacun d'une feuille (aussi appelée ruban) de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours.
Sur un plan de la réalisation pratique, une telle constitution est très favorable, l'industrie produisant couramment des feuilles de matériau magnétique (par exemple des feuilles de métal magnétique) de quelques microns d'épaisseur, sous forme de bandes de grande longueur. Cette matière de base étant usuelle et d'un prix industriel, l'obtention de rouleaux de matériau magnétique reste une opération simple et peu coûteuse. Classiquement, l'industrie propose de telles bandes en largeur de 1 pouce, ce qui est tout à fait adapté au besoin.
En outre, ce mode de réalisation permet une grande souplesse dans la constitution des éléments en matériau magnétique. En effet, il est facile de leur donner l'épaisseur requise en adaptant le nombre de tours de l'enroulement. Il est également facile de réaliser un rouleau de toute sorte de forme, en choisissant convenablement le mandrin autour duquel l'enroulement doit être réalisé. Des formes non circulaires sont tout à fait compatibles avec les machines d'enroulement existantes. Tout particulièrement, et de manière non limitative, il est aisé de réaliser des rouleaux ovoïdes, dont l'intérêt est expliqué plus loin.
Un autre avantage de ce mode de réalisation est qu'il permet d'utiliser des matériaux magnétiques qui n'existent que sous forme de bande laminée (feuille), et donc de ne plus être limité à des matériaux massifs.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un rouleau de matériau magnétique ne comprend pas de matériau électriquement isolant entre deux tours de la feuille de matériau magnétique.
Ainsi, les rouleaux de matériau magnétique sont simples à fabriquer et peu coûteux.
Selon une caractéristique particulière, chaque élément en matériau magnétique comprend au moins deux rouleaux de matériau magnétique placés de manière adjacente le long de ladite portion du tube de eu vêlage ou du tube de production.
De cette façon, il suffit pour obtenir la longueur souhaitée de l'élément en matériau magnétique, enroulant une des extrémités du tube de cuvelage (casing) ou du tube de production (tubing), de placer de manière adjacente plusieurs rouleaux matériau magnétique.
Selon une caractéristique particulière, au moins une ligne de transmission d'énergie, hydraulique ou électrique, passe dans un espace de la cavité centrale non occupé par ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
De cette façon, l'élément en matériau magnétique englobe la ou les lignes de transmission d'énergie (« power Unes »), ce qui permet de neutraliser l'effet de court- circuit qu'elles provoquent. Ainsi, la ou les lignes de transmission d'énergie (« power Unes ») entourée(s) par l'élément en matériau magnétique constitue(nt) une inductance suffisamment élevée pour ne pas perturber la ligne de transmission.
Dans une première implémentation, la cavité centrale possède une forme ovoïdale. Ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production possède une section externe de forme circulaire. Ladite moins une ligne de transmission d'énergie passe dans l'espace restant entre la forme ovoïdale et la forme circulaire.
Dans une seconde implémentation, la cavité centrale possède une première forme circulaire ayant un premier diamètre. Ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production possède une section externe de seconde forme circulaire ayant un second diamètre inférieur au premier diamètre. Ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production est montée décentrée à l'intérieur de la cavité centrale. Ladite moins une ligne de transmission d'énergie passe dans l'espace restant entre les première et seconde formes circulaires décentrées l'une par rapport à l'autre.
Selon une caractéristique particulière, ledit matériau magnétique est un métal magnétique.
Ainsi la solution proposée est simple à mettre en œuvre puisque, comme indiqué plus haut, l'industrie produit couramment des feuilles de métal magnétique et il s'agit d'une matière de base usuelle et d'un prix industriel.
Dans une implémentation particulière, ledit métal magnétique est un acier magnétique nanocristallin.
L'utilisation d'aciers magnétiques nanocristallins est particulièrement favorable par les fortes permittivités qu'ils présentent ainsi que par leurs faibles pertes par courant de Foucault. Des mesures précises montrent que ces matériaux mis en œuvre selon l'invention sont aptes à travailler sans pertes gênantes jusqu'à plusieurs centaines de kilo Hertz. De plus, les très fortes perméabilités magnétiques disponibles permettent des réalisations pratiques compactes dans le contexte d'une complétion d'hydrocarbures.
Selon une caractéristique particulière, chaque élément en matériau magnétique est entouré d'une enveloppe protectrice.
L'enveloppe protectrice assure une fonction de protection de l'élément en matériau magnétique (rouleau(x)) contre les agressions mécaniques extérieures.
Selon une caractéristique particulière, ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production comprend une pluralité d'éléments de tube successifs depuis un premier élément de tube jusqu'à un dernier élément de tube, chaque élément de tube étant muni à chaque extrémité d'une connexion destinée à coopérer avec une connexion d'un autre élément de tube adjacent. Le premier élément de tube forme l'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'un des deux éléments en matériau magnétique. Le dernier élément de tube forme l'autre des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'autre des deux éléments en matériau magnétique. Ainsi, pour mettre en œuvre la solution proposée, seuls les premier et dernier éléments de tube (de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production) nécessitent une adaptation par rapport aux éléments de tube standards.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un puits pour l'exploration ou la production gazière et/ou pétrolière et/ou géothermique, ce puits comprenant une ligne de transmission selon l'un quelconque des modes de réalisation ci- dessus.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est proposé un élément de matériau magnétique, adapté pour être utilisé dans une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface et au moins un équipement de fond, ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage électriquement conducteur et un tube de production électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant : une portion du tube de cuvelage ou du tube de production ; et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production. Ledit élément en matériau magnétique comprend au moins un rouleau de matériau magnétique composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours, ledit au moins un rouleau possédant une cavité centrale adaptée pour le passage d'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
5. LISTE DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels :
la figure 1 , déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production ;
la figure 2, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une première technique connue (fonctionnement en courant), avec utilisation d'une bobine d'injection et une bobine de fond ; la figure 3, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une deuxième technique connue (fonctionnement en tension), avec utilisation de matières isolantes entourant les extrémités du tubing ;
la figure 4, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, représente un puits en production comprenant une ligne de transmission selon une troisième technique connue (fonctionnement en tension), avec utilisation d'éléments de matériau magnétique entourant les extrémités du tubing ;
la figure 5, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, montre une réalisation connue des éléments de matériau magnétique apparaissant sur la figure 4, ainsi que le passage de câble nécessaire et le champ magnétique généré par ce câble ;
la figure 6, déjà décrite ci-dessus en relation avec l'art antérieur, montre le schéma électrique équivalent d'un élément (anneau) de matériau magnétique soumis à des courants de Foucault ;
la figure 7 représente un puits en production comprenant une ligne de transmission (fonctionnement en tension) selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 8 montrant le principe de réalisation d'un rouleau de matériau magnétique (anneau élémentaire) selon l'invention, à partir d'un ruban (feuille) de métal ;
la figure 9 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté, selon un mode de réalisation particulier de l'invention (cette vue partielle montre un élément en matériau magnétique maintenu par des bagues) ;
la figure 10 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté, selon un mode de réalisation particulier de l'invention (par rapport à la vue partielle de la figure 9, cette vue complète montre en outre un tube métallique de protection et connexion électrique, un fil connecté à ce tube, et enfin des lignes de transmission d'énergie) ;
la figure 11 illustre plus précisément un exemple de réalisation du passage des lignes de transmission d'énergie, entre la paroi interne d'un élément de matériau magnétique de forme ovoïdale et la paroi externe d'un tube de production de forme circulaire.
6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.
La figure 7 représente un puits en production comprenant une ligne de transmission (fonctionnement en tension) selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Le contexte est celui décrit plus haut avec la figure 4. On cherche à réaliser une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps (par exemple un courant alternatif) entre un équipement de surface 29 et au moins un équipement de fond 17. Cette ligne de transmission est mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage (casing) 11 électriquement conducteur et un tube de production (tubing) 12 électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage. Une portion de la ligne de transmission comprend une portion du tubing 12 et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de cette portion du tubing 12. Dans une variante, une portion de la ligne de transmission comprend une portion du casing 11 et deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de cette portion du casing 11.
Dans le mode de réalisation de la figure 7, les différences avec la solution connue de la figure 4 portent sur :
• les éléments de matériau magnétiques 70, 71 , qui ne sont pas de même nature, comme détaillé par la suite ;
• la manière de connecter l'équipement de surface 29 avec le tubing 12 (fil 75 et tube conducteur 72) ;
• dans une variante, la manière de connecter l'équipement de fond 17 avec le tubing 12 (fil 74 et tube conducteur 73).
On présente maintenant en détail ces différences, dans le cas où les éléments en matériau magnétique entourent chacun une des extrémités d'une portion du tubing 12. Il est clair que cet enseignement peut aisément être transposé par l'homme du métier à la variante dans laquelle les éléments en matériau magnétique entourent chacun une des extrémités d'une portion du casing 11.
Tout d'abord, chacun des éléments de matériau magnétiques 70, 71 comprend au moins un rouleau de matériau magnétique composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours. Il n'y a pas de matériau électriquement isolant entre deux tours de la feuille de matériau magnétique. Chaque rouleau possède une cavité centrale dans laquelle passe une des extrémités de la portion précitée du tubing 12. En d'autres termes, le principe général consiste à réaliser chaque élément en matériau magnétique 70, 71 , sous la forme d'un rouleau, ou de plusieurs rouleaux adjacents.
Sur la figure 7, on a référencé 76 un élément de tubing adapté, placé en partie haute du puits 1 , et 77 un élément de tubing adapté, placé en partie basse du puits 1. En pratique ces deux éléments de tubing adaptés 76, 77 peuvent être identiques. Un mode de réalisation particulier de ces éléments de tubing adapté est présenté ci-après en détail, en relation avec les figures 9 et 10.
Comme illustré sur la figure 8, chaque rouleau 81 est réalisé à partir d'un ruban (feuille) de matériau magnétique 80 aux propriétés magnétiques adaptées. Il s'agit par exemple d'une feuille de métal magnétique, et plus particulièrement une feuille d'acier magnétique nanocristallin. Partant de ce ruban, le rouleau 81 est constitué par enroulage, en continu et selon au moins deux tours, sur un mandrin de taille convenable. Cet enroulement est effectué jusqu'à obtenir l'épaisseur requise du rouleau. La cavité centrale 83 du rouleau est fonction de la forme du mandrin. Si le mandrin est de forme circulaire, le rouleau est un anneau. La première spire est immobilisée par tout moyen jugé adéquat comme le collage ou la soudure 82. De même pour la dernière spire.
Sur un plan de la réalisation pratique, une telle constitution sous forme de rouleau(x) 81 est très favorable, l'industrie produisant couramment des feuilles de métal magnétique de quelques dizaines de microns d'épaisseur, sous forme de bandes de grande longueur. Cette matière de base étant usuelle et d'un prix industriel, la réalisation des rouleaux reste une opération simple et peu coûteuse. Classiquement, l'industrie propose de telles bandes en largeur de 1 pouce, ce qui est tout à fait adapté au besoin. La réalisation sous forme de rouleau(x) 81 permet une grande souplesse dans la constitution des éléments en matériau magnétique 70, 71. En effet, il est facile de leur donner l'épaisseur requise en adaptant le nombre de tours des rouleaux. Il est également facile de réaliser un rouleau de toute sorte de forme, en choisissant convenablement le mandrin autour duquel l'enroulement doit être réalisé. Des formes non circulaires sont tout à fait compatibles avec les machines d'enroulement existantes. Tout particulièrement, et de manière non limitative, il est possible de réaliser des rouleaux dont la cavité centrale possède une forme ovoïdale, dont l'utilisation est expliquée plus loin (pour le passage de lignes de transmission d'énergie).
Un autre avantage de la réalisation sous forme de rouleau(x) 81 est qu'elle permet d'utiliser des matériaux qui n'existent que sous forme de bande laminée, et de ne plus être limité à des matériaux massifs. Tout particulièrement, l'utilisation d'aciers nanocristallins est particulièrement favorable par les fortes permittivités qu'ils présentent, ainsi que par leurs faibles pertes par courant de Foucault. Des mesures précises montrent que ces matériaux, mis en œuvre sous forme de rouleau(x), sont aptes à travailler sans pertes gênantes jusqu'à plusieurs centaines de kHz. De plus, les très fortes perméabilités magnétiques disponibles permettent des réalisations pratiques compactes dans le contexte d'une complétion d'hydrocarbures.
Il est également intéressant de protéger les rouleaux de matériau magnétique 81 par tout type d'enrobage destiné à accroître leur robustesse mécanique, à les isoler électriquement entre eux et avec le tubing 90, ainsi que de tout autre élément de leur environnement. Classiquement cet enrobage peut par exemple être réalisé à partir de vernis, de revêtements époxy, ou d'élastomères de tous types. Nous obtenons ainsi des rouleaux 81 aux propriétés magnétiques requises avec la robustesse mécanique indispensable à la survie à l'environnement. De plus, diverses formes dans les revêtements peuvent être réalisées, facilitant la réalisation de l'objet complet.
La figure 9 illustre une vue partielle d'un élément de tubing adapté 76 (cf. figure 7), selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Il comprend un élément de tubing standard 90 entouré d'un élément en matériau magnétique 70.
L'élément de tubing standard 90 répond aux sections standards et normalisées dans l'industrie. Chaque extrémité est munie des connexions 91 , 92 standardisées dans les métiers de la production pétrolière et gazière, comme des connexions API, VAMTOP ou autres. Ainsi, l'élément de tubing adapté 76 pourra être inséré et faire partie du tubing 12 de la complétion, comme tout autre élément de tubing de cette complétion, sans créer de contraintes particulières d'installation.
Les rouleaux 81 sont par exemple enfilés, par leur cavité centrale 83, à partir d'une extrémité de l'élément de tubing standard 90. Le nombre de rouleaux est déterminé par la valeur de l'inductance à réaliser, ainsi que par les caractéristiques du matériau magnétique utilisé. Classiquement, quelques dizaines de centimètres à quelques mètres sont des valeurs pratiquement utilisables.
Dans l'exemple purement illustratif de la figure 9, l'élément en matériau magnétique 70 comprend cinq rouleaux de matériau magnétique 81. En pratique, le nombre rouleaux 81 dépend de la largeur 1 des rubans 80 dans lesquels ils sont réalisés, ainsi que de la longueur L souhaitée pour l'élément en matériau magnétique 70.
Les rouleaux 81 peuvent être circulaires et être placés concentriquement autour de l'élément de tubing standard 90.
Il est également possible de faire passer, dans un espace de la cavité centrale des rouleaux 81 non occupé par l'élément de tubing standard 90, une ou plusieurs lignes de transmission d'énergie hydraulique ou électrique (power Unes) 98, ou autres liaisons ayant à traverser. Ainsi, l'élément en matériau magnétique 70 englobe lignes de transmission d'énergie pour permettre de neutraliser l'effet de court-circuit qu'elles provoquent.
Dans une implémentation particulière, les rouleaux 81 possèdent une cavité centrale 83 circulaire, et sont montés de manière décentrée autour de l'élément de tubing standard 90. En d'autres termes, on utilise des rouleaux magnétiques de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de l'élément de tubing standard 90, et on les décentre au montage. Le décentrage libère un espace de la cavité centrale des rouleaux 81 pour le passage des lignes de transmission d'énergie.
Dans une autre implémentation particulière, illustrée sur la figure 11, la cavité centrale 83 des rouleaux 81 possède une forme ovoïdale. L'élément de tubing standard 90 possède une section externe de forme circulaire. Les lignes de transmission d'énergie 98 passent dans l'espace restant entre la forme ovoïdale et la forme circulaire. D'autres implémentations (arrangements mécaniques) sont possibles pour autant que les lignes de transmission d'énergie soient contenues dans la cavité centrale 83 des rouleaux magnétiques 81.
Comme illustré sur la figure 9, l'assemblage de rouleaux magnétiques 81 (formant l'élément en matériau magnétique 70) est maintenu par les bagues 94, 95 (ou tout autre moyen connu).
La première bague 94, placée sur la partie basse de l'élément de tubing standard 90, est réalisée en métal de manière à assurer une continuité électrique avec l'élément de tubing standard 90. Pour assurer la qualité de ce contact électrique, tout type de solution peut être adoptée, comme le serrage des pièces entre elles et le choix de métaux adaptés. De plus, cette première bague 94 doit être apte à supporter le poids des tous les rouleaux 81 situés au-dessus d'elle. Ainsi, la constitution en acier est-elle un élément extrêmement intéressant, par la résistance prouvée à ce type d'effort. Il est avantageux, bien que non indispensable d'utiliser le même type d'acier que celui constituant l'élément de tubing standard 90.
La seconde bague 95, placée sur la partie supérieure de l'élément de tubing standard 90, assure le maintien de l'autre extrémité de l'assemblage de rouleaux 81. Cette seconde bague 95 est réalisée dans une matière apte à supporter les efforts et l'environnement, mais également apte à assurer une isolation électrique de qualité. Etant placée sur la partie supérieure, cette seconde bague 95 ne subit pas d'effort mécanique important dans la complétion. Sa constitution en matière isolante n'est donc pas pénalisante sur un plan mécanique. Divers types de matériaux sont utilisables, mais le plus avantageux est d'utiliser des matières plastiques usinées, comme du PEEK par exemple.
Placé entre les bagues 94 et 95, et maintenues par celles-ci, se trouve une enveloppe protectrice et conductrice électriquement (préférentiellement un tube métallique cylindrique) 72 (73 pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse, sur la figure 7) englobant l'ensemble des rouleaux magnétiques 81. Sur la figure 10, ce tube 72 est partiellement omis afin que l'élément de matériau magnétique 70 soit visible. Ce tube 72 assure plusieurs fonctions. La première est la fonction de protection des rouleaux magnétiques 81 contre les agressions mécaniques extérieures. Ainsi, ce tube 72 est par exemple constitué d'un épais métal apte à supporter durablement ces agressions. A titre d'exemple, il pourrait être fait dans le même acier que le tubing et avoir une épaisseur de 10 millimètres. En outre, le tube 72 contribue à la rigidité mécanique et à la robustesse globale de l'ensemble par les fixations au niveau des bagues 94 et 95. Ainsi constitué, l'assemblage est compact et robuste aux agressions extérieures.
La seconde fonction est de conduire l'électricité de la bague conductrice 94 jusqu'à la bague isolante 95. En d'autres termes, il assure une continuité électrique entre deux points ou éléments de la ligne de transmission, situés de part et d'autre de l'élément en matériau magnétique 70. Pour ce faire, le tube 72 est constitué de matière conductrice adaptée au courant à faire circuler. Pratiquement, la plupart des aciers sont aptes à assurer cette fonction.
L'utilisation d'un tube métallique 72 entourant l'élément magnétique 70 est particulièrement avantageux pour effectuer une connexion électrique en lieu et place d'un câble (cf. 4 et 5 décrivant l'art antérieur, avec le passage d'un fil 25 le long de l'élément en matériau magnétique). En effet, en application de la loi d'ampère, il est connu qu'un cylindre creux parcouru par un courant électrique génère un champ magnétique à l'extérieur de son enveloppe, mais ne génère pas de champ magnétique à l'intérieur. Ainsi, le tube conducteur 72, parcouru par un courant ne produira aucun champ magnétique à l'intérieur de l'élément en matériau magnétique 70. Ainsi, ce courant ne sera pas affecté d'une quelconque inductance liée aux rouleaux magnétiques 81 , ce qui est extrêmement avantageux. De même, ce courant ne pourra pas induire de flux dans les rouleaux magnétiques 81 et ainsi provoquer une saturation magnétique, qui serait immédiatement génératrice de pertes thermiques. Cet arrangement particulier assure donc le passage de courant le long de la fonction magnétique sans aucun des inconvénients connus.
Pour l'élément de tubing adapté 76 en partie haute, un élément conducteur (par exemple un fil ou un câble) 75 possède une extrémité reliée électriquement à l'extrémité du tube conducteur 72 située du côté de la bague isolante 95. Cet élément conducteur 75 possède une autre extrémité reliée électriquement à l'équipement de surface 29. Pour des raisons de robustesse, et pour éviter tout arrachage intempestif au cours de la mise en place ou durant la vie du produit, l'élément conducteur 75 est placé, au sein de l'élément de tubing adapté 76, contre la paroi extérieure de la partie de l'élément de tubing standard 90 non entourée par l'élément en matériau magnétique 70.
Pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse (cf. pointillés sur la figure 7), un élément conducteur (par exemple un fil ou un câble) 74 possède une extrémité reliée électriquement à l'extrémité du tube conducteur 73 située du côté de la bague isolante 95. Cet élément conducteur 74 possède une autre extrémité reliée électriquement à l'équipement de fond 17. Pour des raisons de robustesse, et pour éviter tout arrachage intempestif au cours de la mise en place ou durant la vie du produit, l'élément conducteur 74 est placé, au sein de l'élément de tubing adapté 77, contre la paroi extérieure de la partie de l'élément de tubing standard 90 non entourée par l'élément en matériau magnétique 71.
Dans une variante, pour l'élément de tubing adapté 77 en partie basse, le fil ou câble 74 est absent (ou bien présent mais non connecté) et le tube métallique 73 entourant l'élément magnétique 71 n'est pas utilisé pour la seconde fonction (conduire l'électricité). Dans cette variante, l'équipement de fond 17 est connecté d'une part au tubing 12 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi extérieure du tubing 12 et une lame métallique (non référencée) portée par la paroi intérieure de l'équipement de fond 17), et d'autre part au casing 11 (par exemple par contact électrique direct entre la paroi intérieure du casing 11 et une lame métallique 26 portée par la paroi extérieure de l'équipement de fond 17).
Il est clair que de nombreux autres modes de réalisation de l'invention peuvent être envisagés.
Par exemple, bien qu'illustrée et discutée ci-dessus avec des tubes de section circulaire, la technique proposée s'applique également à des tiges incluses l'une dans l'autre, quelle que soit la section de chacune des tiges.
De même, bien qu'illustrée et discutée ci-dessus avec des éléments de matériau magnétique 70, 71 entourant un élément de tubing standard 90, la technique proposée s'applique également avec des éléments de matériau magnétique entourant un élément de casing standard. Notamment, la technique proposée s'applique aux différents cas, décrits dans le document de brevet US2002/0036085, d'utilisation d'éléments de matériau magnétiques dans une ligne de transmission au sein d'une canalisation.
Dans une variante de réalisation, la technique consistant à utiliser des éléments en matériau magnétique 70, 71 réalisés sous forme de rouleau(x) 81 n'est pas combinée avec la technique consistant à utiliser une enveloppe protectrice et conductrice électriquement (préférentiellement un tube métallique cylindrique) 72, 73. Dans cette variante, non optimale, on fait par exemple passer un fil le long de chaque élément en matériau magnétique 70, 71 (malgré les problèmes exposés plus haut).

Claims

REVENDICATIONS
1. Ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface (29) et au moins un équipement de fond (17), ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de eu vêlage (11) électriquement conducteur et un tube de production (12) électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de eu vêlage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant :
une portion du tube de cuvelage ou du tube de production ; et
deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production ;
caractérisée en ce que chaque élément en matériau magnétique (70, 71) comprend au moins un rouleau de matériau magnétique (81) composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours, ledit au moins un rouleau possédant une cavité centrale (83) dans laquelle passe une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
2. Ligne de transmission selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit au moins un rouleau de matériau magnétique ne comprend pas de matériau électriquement isolant entre deux tours de la feuille de matériau magnétique.
3. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chaque élément en matériau magnétique comprend au moins deux rouleaux de matériau magnétique placés de manière adjacente le long de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
4. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'au moins une ligne de transmission d'énergie (98), hydraulique ou électrique, passe dans un espace de la cavité centrale non occupé par ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
5. Ligne de transmission selon la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité centrale possède une forme ovoïdale, en ce que ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production possède une section externe de forme circulaire, et en ce que ladite moins une ligne de transmission d'énergie passe dans l'espace restant entre la forme ovoïdale et la forme circulaire.
6. Ligne de transmission selon la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité centrale possède une première forme circulaire ayant un premier diamètre, en ce que ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production possède une section externe de seconde forme circulaire ayant un second diamètre inférieur au premier diamètre, en ce que ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production est montée décentrée à l'intérieur de la cavité centrale, et en ce que ladite moins une ligne de transmission d'énergie passe dans l'espace restant entre les première et seconde formes circulaires décentrées l'une par rapport à l'autre.
7. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit matériau magnétique est un métal magnétique.
8. Ligne de transmission selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit métal magnétique est un acier magnétique nanocristallin.
9. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que chaque élément en matériau magnétique est entouré d'une enveloppe protectrice (72, 73).
10. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production comprend une pluralité d'éléments de tube successifs depuis un premier élément de tube jusqu'à un dernier élément de tube, chaque élément de tube étant muni à chaque extrémité d'une connexion destinée à coopérer avec une connexion d'un autre élément de tube adjacent,
en ce que le premier élément de tube (76) forme l'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'un des deux éléments en matériau magnétique,
et en ce que le dernier élément de tube (77) forme l'autre des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production, et est entouré de l'autre des deux éléments en matériau magnétique.
11. Puits pour l'exploration ou la production gazière et/ou pétrolière et/ou géothermique, caractérisé en ce qu'il comprend une ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
12. Élément de matériau magnétique, adapté pour être utilisé dans une ligne de transmission d'un courant électrique variant dans le temps entre un équipement de surface (29) et au moins un équipement de fond (17), ladite ligne de transmission étant mise en œuvre au sein d'une canalisation du type comprenant un tube de cuvelage (11) électriquement conducteur et un tube de production (12) électriquement conducteur et logé à l'intérieur du tube de cuvelage, une portion de ladite ligne de transmission comprenant :
une portion du tube de cuvelage ou du tube de production ; et
deux éléments en matériau magnétique, entourant chacun une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production ;
ledit élément en matériau magnétique étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins un rouleau de matériau magnétique (81) composé d'une feuille de matériau magnétique enroulée en continu selon au moins deux tours, ledit au moins un rouleau possédant une cavité centrale adaptée pour le passage d'une des extrémités de ladite portion du tube de cuvelage ou du tube de production.
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