Brevet FR2234562A1 — publié le 19750117

L'invention se rapporte à la mesure de la densité et de la teneur en gaz d'une boue de forage, en particulier dans des forages sous-marins. En général, dans le forage de puits sous-marins, on in jecte de la boue dans un tube de forage, à partir de la surface. La boue est refoulée vers le bas dans la colonne de tubes, sort du trépan et revient à la surface par une colonne montante venant du puits. La boue de forage a pour fonction de former une crobte/autour du puits,évitant la présence de cavités, et de tendre à créer au fond du puits une pression qui empoche une éruption lorsqu'on rencontre une zone de gaz à haute pression. Elle agit comme lubrifiant et réduit les pertes d'énergie par frottement0 Elle entralane les débris de coupe produits par le forage. Afin que la boue puisse remplir ces diverses fonctions, on la soumet à différents contrôles, tels que la mesure de sa densité et la présence de gaz dans cette boue.Parmi les méthodes usuelles de mesure de densité de la boue, on peut citer i) le prélèvement d'une quantité précise de boue et sa pesée sur une balance de précision 2) l'introduction d'un cylindre ou d'une bille dans la fosse à boue et la mesure de sa flottabilité 3) la mesure de la pression différentielle, par un transducteur de pression différentielle, pour une colonne de boue égale à une unité de longueur Différentes méthodes connues pour la mesure de la teneur en gaz de la boue sont 1) la mesure de la conductivité thermique avec un filament chaud, la présence de gaz consommant davantage de chaleur du filament qu'avec un échantillon sans gaz et 2) la comparaison de la densité de la boue venant du forage avec la densité de la boue qui est injectée dans le forage0 Les méthodes d'essai actuelles sont satisfaisantes et fournissent une analyse exacte de la boue.Toutefois, ces méthodes sont utilisées pour contraler la boue seulement lorsque celle-ci est arrivée à la surface de Liteau. De nombreux puits de pétrole et de gaz sont maintenant forés dans des profondeurs d'eau atteignant 1000 mètres et dans l'avenir des forages seront effectués dans des eaux beaucoup plus profondes. Par conséquent, un échantillon particulier de boue peut mettre plusieurs heures pour atteindre la surface de l'eau, selon le débit et la distance. Dans l'intervalle, le forage peut être mal conduit à cause d'une densité incorrecte de la boue. Il est également évident que le gaz dans la boue doit être détecté dès que possible, en raison du danger d'incendie qu'il présente lorsqu'il atteint la surface.Il est donc souhaitable de mesu rer les dlverses propriétés de la boue de forage, par exemple sa densité ainsi que la présence et la quantité de gaz dans la boue, longtemps avant que celle-cl. atteigne la surface de l'eau. Par conséquent, la présente invention vise à mesurer les propriétés de la boue de forage en un point situé au-dessous de la surface de l'eau, par exemple le fond de la mer, afin d'effectuer les corrections éventuellement nécessaires pour modifier la boue et résoudre une difficulté rencontrée dans le forage. Par exemple, la densité de la boue peut entre modifiée par la rencontre dans le puits de certaines conditions, notamment la présence d'eau, de gaz ou de pétrole, et à cause de l'addition des débris de coupe. Toutefois, la boue de forage, dans les conditions d'ambiance qui existent au fond de la mer, est soumise à certains facteurs, par exemple la compression dfle à la charge hydrostatique. Les méthodes usuelles de mesure des propriétés de la boue en surface ne conviennent donc pas pour l'utilisation en un point immergé.Par exemple, lorsque la boue est comprimée par la pression hydrostatique, le gaz qu'elle contient est comprimé et son volume est diminué, alors que le fluide et les particules de boue ne sont pas compressibles et ne diminuent pas de volume en fonction de la pression. De ce fait, la densité de la boue n'est pas modifiée nettement si du gaz est inclus dans la boue, lorsque le conglomérat est soumis à une pression élevée. La densité de la boue n'est donc pas une indication exacte de sa teneur en gaz. La présente invention a pour objet un procédé et un appareil pour la mesure des propriétés physiques d'une boue de forage dans un puits sous-marin, par exemple la mesure de la densité et de la teneur en gaz de la boue près du fond de-la mer, sans attendre que la boue atteigne la surface de l'eau. La présente invention vise le prélèvement d'un échantillon de boue, en un point immergé, dans un récipient fermé, dans les conditions de l'ambiance, la mesure des propriétés de la boue et la transmission à la surface de l'eau de signaux représentatifs des mesures immergées, de façon à fournir des informations concernant la boue de forage sans attendre que la boue retourne à la surface de l'eau. L'invention a également pour objet le prélèvement, en un point immergé, dans un récipient, d'un échantillon de boue venant de la zone annulaire entre la colonne de forage et une colonne montante, la mesure de la pression dans le récipient, l'augmentation de dimension du récipient pour réduire la pression intérieure à une valeur prédéterminée, et la mesure du degré d'expansion du récipient qui a été nécessaire pour réduire la pression, de façon à déterminer la quantité de gaz dans la boue de forage. L'invention vise notamment la mesure de la densité de la boue de forage recueillie dans le récipient fermé et soumise à la pression hydrostatique. D'autre part, la densité de la boue est mesurée après expansion du récipient pour réduire sa pression interne à une valeur prédéterminée, par exemple la pression atmosphérique. De préférence, on utilise une partie du récipient éloignée du sommet de façon à mesurer la densité de la boue après séparation au moins partielle du gaz et de la boue. L'invention a également pour objet une chambre d'échan- tillonnage, comportant une entrée raccordée à la colonne montante et une sortie de purge, équipée de vannes raccordées à l'entrée et à la sortie et commandées de la surface pour introduire et maintenir dans la chambre un échantillon de la boue de forage près du fond de 11 eau. Des moyens de mesure de pression sont reliés à la chambre, pour mesurer la pression de l'échantillon dans la chambre, et des moyens de mesure de densité sont reliés à la chambre pour mesurer le poids de 1'échantillon de boue dans la chambre. La chambre comprend des moyens d'expansion, par exemple un piston de commande, pour réduire la pression de l'échantillon à une valeur prédéterminée, par exemple la pression atmosphérique.Des moyens de mesure sont reliés au piston pour mesurer la valeur de l'expaasioa de la chambre qui est nécessaire pour réduire la pression à la dite valeur, afin d'en déduire la teneur en gaz dans l'échantillon. Des moyens d'affichage sont prévus à la surface et ils sont raccordés à tous les moyens de mesure immergés. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description Ci-aprèS. Au dessin annexé : La Fig. 1 est une vue en élévation d'une plateforme de forage, située à la surface de l'eau pour creuser un puits sousmarin, montrant l'emploi de la présente invention pour la mesure des ropriétés de la boue de forage en un point situé au dessous de la surface ; et La figure 2 est une vue schématique en élévation de l'ap- pare il de mesure conforme à la présente invention. La figure 1 représénte une plateforme de forage, globale ment désignée par le repère 10, qui se trouve à la surface 12 de l'eau pour le forage d'un puits sous-marin dans le fond 14 de la mer, au moyen d'un équipement usuel immergé 16 et d'un empilage 18 donne d'éruption. Une colonne montante 20 assure la liaison'entre 11 équipement immergé 16 et la plateforme 10. Une colonne de tubes de forage 22, (fiv.2) tourne à l'intérieur du tube 20, pour exécuter le forage du puits. De façon usuelle, de la boue de forage est refoulée vers le bas de la colonne 22, où elle sort de l'outil de forage, puis elle remonte dans la zone annulaire 24, entre la colonne de forage 22 et la colonne montante 20. La présente invention concerne un appareil, globalement désigné par le repère 30, pour la mesure des différentes propriétés de la boue en un point situé au-dessous de la surface 12 de liteau. L'appareil 30 est raccordé à un joint de colonne 32, pour prélever un édhantillon et mesurer la densité et la teneur en gaz de la boue dorage dans la zone annulaire 2,près du fond 14 de l'eau, sans attendre que la boue atteigne la plateforme 10. Des lignes appropriées de commande et de mesure, globalement indiquées par le repère 34, sont connectées entre 11 appareil de mesure et la plateforme 10, pour transmettre les. commandes et fournir des signaux de lecture à un panneau d'affichage 36 sur la plateforme 10. On voit, sur la figure 2, que les moyens d'échantillonnage globalement désignés par le repère 38 comprennent une chambre d'échantillonnage 40, qui est en communication de fluide avec la zone annulaire 24 puisqu'elle est raccordée au joint 32 de la colonne montante pour recevoir un échantillon de la boue de forage venant de la zone annulaire 24, près du fond 14 de la mer. La chambre 40 est équipée d'une vanne d'entrée 42 et d'une vanne de sortie 44 qui sont commandées par des lignes électriques 46 et 48 respectivement, faisant partie du cAable de commande 34 (figure 1). Le robinet 44 purge le contenu de la chambre 40, dans l'eau. Lorsque les vannes 42 et 44 sont ouvertes, la boue de forage à haute pressionvenant de l'anneau 24 s'écoule dans la chambre 40 et la remplit dans les conditions de l'ambiance.Lorsque les vannes 42 et 44 sont fermées, un échantillon de boue est emprisonné et maintenu dans la chambre 40, pour essai. Des moyens appropriés de mesure de la densité de la boue sont raccordés à la chambre 40, par exemple un transducteur 50 de pression différentielle qui est relié à des- points 52 et 54, verticalement espacés, de la chambre 40, pour mesurer la pression différentielle d'une quantité prédéterminée de boue de forage. On obtient ainsi une mesure du poids de la boue entre les points 52 et 54o De préférence, les points 52 et 54 sont au-dessous du sommet de la chambre 40, comme décrit plus loin en détail.Des lignes de signalisation 53 relient le transmetteur 50 au panneau 36 (fige 1), par l'intermédiaire du capable 34, pour transmettre des signaux électriques à la surface et les afficher de manière à obtenir en surface une lecture de la densité de la boue en profondeur. Des moyens sont prévus pour augmenter la dimension de la chambre d'échantillonnage 40, par exemple un piston 54 mobile dans une partie 56 de la chambre 40. Le mouvement et la position du piston 54 sont commandés par un deuxième piston 58, relié au premier piston 54 par une tige 60 Le piston 58 est disposé dans une chambre 62 Des conduites de commande 64 et 66 communiquent avec l'intérieur du cylindre 62, de part et d'autre du piston 58. Les conduites 64 et 66 sont raccordées à une ligne 68 dtalimenta tion en fluide hydraulique qui est amené de la surface par le câble de commande 34. Des électrovannes à commande électrique 70, 72, 74 et 76 sont actionnées de façon appropriée par des lignes électriques 78, 80, 82 et 84 respectivement. Ces lignes sont incorporés dans le capable 34, pour commander de la surface le déplacement du piston 58 et par suite la position du piston 54. Cela permet de régler la dimension de la chambre d'échantillon 40, comme décrit plus loin en détail.La conduite de commande 66 comporte un étranglement 67 de façon à ralentir le mouvement du piston 58 vers le haut. Les-électrovannes 70 et 72 commandent ltadmission du fluide hydraulique dans les conduits 64 et 66 respectivement, de chaque coté du piston 58. Les électrovannes 74 et 76 sont des vannes de purge, pour évacuer la pression de part et d'autre du piston 58. Des moyens sont prévus pour mesurer la position du piston 54 et fournir ainsi une mesure de l'expansion de la chambre 40. Par exemple, on peut utiliser un transmetteur potentiométrique comportant un potentiomètre 86 qui reçoit la tension d'une source entre des lignes 88. L'enroulement de ce potentiomètre est en contact avec un bras curseur 90, relié au piston 58 et par conséquent mobile en réponse au déplacement de ce piston. Une ligne électrique 92 transmet un signal électrique en surface, au panneau 36 qui comporte un appareil de mesure, par exemple un voltmètre 94 fournissant une lecture proportionnelle au déplacement du piston 54. Un transmetteur de pression 100 est relié à la chambre d'échantillonnage 40, pour indiquer la pression dans cette chambre. Des lignes électriques 102 sont raccordées dans le cible 34, pour transmettre au panneau 36 une lecture de la pression dans la chambre 40. Des contacts électriques appropriés 104 et 106, de fin de course, peuvent être prévus dans la chambre 56 pour venir en contact avec le piston 54 et détecter la course de ce piston0 En fonctionnement, le piston 54 est déplacé vers le bas, dans la position représentée sur la figure 2, contre le contact de fin de çourse 106. Cela est obtenu par l'ouverture des vannes 70 et 76 et la fermeture des vannes 72 et 74, de manière à admettre la pression de la ligne d'alimentation 68, à travers la vanne 70 et par la conduite 64, sur la face arrière 63 du deuxième piston 58, dont la face avant 65 est purgée. Lorsque le piston 54 se trouve dans sa position la plus basse, la dimension de la chambre 40 est réduite.Les vannes 42 et 44 sont ouvertes, ce qui permet à la boue de forage à haute pression venant de la zone annulaire 24 de circuler à travers la vanne 42, dans la chambre 40, et à travers la vanne de sortie 44, dans l'eau jusqu'à ce que la chambre 40 soit pleine. Lorsque la chambre d'échantillonnage 40 est pleine, on ferme les vannes 42 et 44, ce qui emprisonne dans la chambre 40 un échantillon de la boue de forage dans les conditions de l'ambiance. La boue, présente dans la chambre 40 entre les points 50 et 52, exerce une pression hydrostatique différentielle sur le transducteur 50. Celui-ci fournit sur les lignes 53 un signal électrique, qui est transmis à la surface de l'eau pour donner une indication de la densité de la boue de forage dans les conditions de pression au point d'immersion. Toutefois, le poids de boue mesuré à cet instant comprend la boue sous la pression hydrostatique et le gaz qui y est éventuellement emprisonné. Bien entendu, la boue ainsi que le pétrole éventuel, l'eau ou les débris de coupe qu'elle contient ne sont pas compressibles mais, si une certaine quantité de gaz est présente dans l'échantillon de boue, ce gaz est comprimé en fonction de la valeur de la pression hydrostatique à laquelle il est soumis à la prodondeur d'échantillonnage. Par conséquent, bien que la mesure de densité sous la pression hydrostatique fournisse une indication de la densité de la boue, elle ne donne pas une indication exacte de la quantité de gaz dans l'échantillon. Afin de détecter la présence et la quantité de gaz dansla boue de forage, on augmente la dimension de la chambre 40 pour réduire la pression, mesurée par le transmetteur 100, de la condition ambiante à une valeur inférieure, par exemple la pression atmosphérique.Cette expansion est obtenue par déplacement du piston 54 vers le haut, pour augmenter la dimension de-la chambre 40. S'il n'y a que de la boue ou des liquides dans la chambre 40, le déplacement du piston nécessaire pour réduire la pression à une valeur prédéterminée est petit, puisque la boue et les liquides ne sont pas compressibles. Par contre, si du gaz est présent dans la boue de forage, le mouvement du piston nécessaire pour réduire la pression à la mtme valeur prédéterminée dans la chambre 40 varie proportionnellement à la quantité de gaz présente dans la boue. Par conséquent, la distance de déplacement du piston 40, nécessaire pour réduire la pression dans la chambre 40 à une valeur prédéterminée, est une mesure de la quantité de gaz présente dans la boue.Il est préférable de réduire la pression dans la chambre d'échantillonnage 40 à la pression atmosphérique, puisque les résultats des mesures de densité de boue et de quantité de gaz peuvent eAtre ramenés aux conditions dans lesquelles ces mesures sont habituellement exécutées. Lorsque l'échantillon de boue remplit la chambre 40 et que le piston 54 occupe sa position en extension, comme représenté sur la figure 2, on ferme la vanne 70 et on ouvre la vanne de pur ge > 74 pour permettre 11 évacuation de la haute pression de l'espace 63 derrière le piston 58, tandis que la pression de la boue dans la chambre 40 repousse le piston 54 vers le haut, ce qui augmente la dimension de la chambre 40. Le piston 54 se déplace vers le haut jusqu'à ce que la pression dans la chambre 40 soit sensiblement égale à la pression dans I'espace 63.On ouvre alors la vanne 72 pour permettre à la pression de la ligne 68 de s'exercer à travers l'étranglement 67, dans la conduite 66 et dans la partie 65 du cylindre, pour déplacer lentement le piston 58 vers le haut jusqu'à ce qu'on obtienne dans la chambre 40 unihression plus fai blende préférence la pression atmosphérique, indiquée par le transducteur 100. Lorsque la pression dans la chambre 40 atteint cette valeur inférieure de pression, on ferme la vanne 72, ce qui arrête le déplacement du piston 58 et par conséquent le déplacement du piston 54. Le bras 90 du potentiomètre, qui se déplace avec le piston 54, fournit une lecture en surface, sur l'indicateur 94, de la valeur dont le piston 54 s'est déplacé, pour réduire la pression dans la chambre 40 à la valeur inférieure prédéterminée.Ce mouvement est une indication et une mesure de la quantité de gaz dans l'échantillon de boue contenu dans la chambre 40. Autrement dit, on peut déterminer la quantité de gaz connaissant la variation de pression et de volume correspondant à ltexpansion de la chambre 40. S'il y a suffisamment de gaz dans l'échantillon de boue, le mouvement du piston 54 devient assez important pour actionner ll interrupteur 104 de fin de course, qui peut être placé pour mesurer exactement un taux de gaz prédéterminé, par exemple 5Cssh, et transmettre en surface cette valeur de détection, pour actionner un signal d'avertissement du personnel de la plateforme qu'une teneur critique en gaz a été atteinte Après expansion de la chambre d'échantillon 40, le gaz tend à se séparer de la boue de forage et, étant plus léger que la boue et les autres fluides et débris de coupe qui peuvent être accumulés dans la boue, il se rassemble au sommet de la chambre 40. Lorsque cela se produit, un deuxième contrôle de densité de boue peut être obtenu par le transducteur 50 de pression différentielle qui, puisqu'il est situé plus bas que le sommet de-la chambre 40, donne une mesure plus exacte de la/densité de la boue dont le gaz s'est au moins partiellement séparé. La présente invention fournit donne méthode de mesure de la densité de boue et de la teneur en gaz, en un point immergé, sans attendre que la boue atteigne la surface de l'eau. L'invention permet donc de prendre les mesures éventuellement nécessaires pour corriger des irrégularités ou défauts de la boue de forage. Le procédé suivant la présente invention est apparent, à la lecture dela description ci-dessus de appareil suIvant 1' invention. Ce procédé vise la mesure des propriétés de la boue de forage dans un puits sous-marin, dans lequel la boue circule vers le bas dans une colonne de forage et vers le haut dans la zone an- nulaire entre ladite colonne et une colonne montante. il consiste à collecter en un point immergé, dans un récipient fermé, un échantillon de boue dans la zone annulaire dans les conditions ambiantes, et à mesures la densité de la boue dans le récipien wermé et à transmettre en surface des signaux indiquant la densité mesurée. La méthode suivant l'invention comprend également l'expansion du récipient pour ;idulre sa pression interne à une valeur inférieure, par exemple la pression atmosphérique, et la mesure de la densité de la boue dans le récipient. La méthode prévoit ensuite la mesure de la valeur de l'expansion du récipient qui a été nécessaire pour réduire la pression à une Valeur prédéterminée, ce. qui permet de déterminer la quantité de gaz dans la boue de forage. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la mise en oeuvre du procédé et de l'appareil suivant l'invention, sans sortir dh cadre de celleci. f. Procédé de mesure des caractéristiques de la boue de forage dans un puits sous-marin dans lequel la boue circule vers le bas dans une colonne de forage et vers le haut dans la zone annulaire entre la colonne de forage et une colonne montante, caractérisé en ce qu'elle consiste à : prélever en un point en profondeur, dans un récipient fermé, un échantillon de la boue venant de la zone annulaire, dans les conditions dtam- biance de cette zone; augmenter la dimension du récipient de la valeur nécessaire pour réduire sa pression intérieure à la pres sion atmosphérique ; et mesurer la valeur de l'expansion du récipient qui a été nécessaire pour réduire la pression, de fa çon à en tirer l'indication de la quantité de gaz dansa boue de forage. 2. Procédé suivant La revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend la mesure de la densité de la boue en un point du ré cipient qui est éloigné du sommet du récipient. 3o Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend la transmission à la surface de l'eau de signaux résultant de la mesure de densité. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la densité est mesurée par la pression différentielle d'une colon ne verticale prédéterminée de boue, distante du sommet du ré cipient. 5. Procédé de mesure suivant l'une des revendications 1 à 4, ca ractérisé en ce qu'il comprend : la mesure de la pression dans le récipient ; l'augmentation de dimension du récipient pour ré duire sa pression interne ; la mesure de l'expansion du réci pient qui a été nécessaire pour réduire la pression, de façon à en déduire la quantité de gaz dans la boue ; et la transmis sion, à la surface de l'eau, des signaux représentatifs de la mesure de l'expansion du récipient. 6o Appareil suivant la revendication 1, destiné à la boue de fo rage dans un puits sous-marin dans lequel la boue circule vers le bas dans une colonne de forage et vers le haut dans la zone annulaire entre la colonne de forage et une colonne montante, caractérisé en ce qutil comprend : des moyens d'échantillonnage, raccordes sous l'eau à la colonne montante pour obtenir un é- chantillon de la boue dans la zone annulaire ; des moyens de mesure de la densité de la boue, reliés aux moyens d'échantil lonnage pour mesurer la densité d'un échantillon de boue pré levée ; et des moyens d'affichage, au-dessus de la surface de lteau, reliés aux moyens de mesure pour indiquer la densité de la boue dans les conditions dtimmersion. 7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les dits moyens de mesure comprennent un transducteur de pression différentiel, racca2dX ez n des points verticalement espaces aux moyens d'échantillonnage, 8. Appareil suivant la revendication 6,-caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage comprennent des moyens de réduction de la pression de l'échantillon prélevé, à la pression atmosphé rique. 9. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qutil com prend des moyens reliés aux moyens d'échantilLonnage pour mesu rer la quantité de gaz dans l'échantillon et des moyens d'affi chage de la mesure de gaz, au-dessus de la surface de l'eau, reliés aux moyens de mesure de gaz pour indiquer la quantité de gaz dans la boue sous l'eau. 10. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'échantillonnage comprennent une chambre, comportant une entrée raccordée à la colonne montante et une sortie ; et des moyens d'obturation prévus à ladite entrée et à ladite sortie et commandés de la surface de l'eau. 11. Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de mesure de densité comprennent un transducteur de pres sion différentielle, raccordé en des points verticalement es pacés de ladite chambre. 12. Appareil suivant la revendication 10, caractérisé'en ce que la chambre d'échantillonnage comprend des moyens dtaugmentation de sa dimension, des moyens de mesure de cette augmentation de dimension et des moyens de mesure de la pression dans la cham bre. 13. Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens d'expansion comprennent un piston mobile dans la chambre, et des moyens de déplacement du piston. 14. Appareil suivant la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de la position du piston, pour la détermination de la dimension de la chambre. 15. Appareil suivant l'une des revendications 6 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d t échantillonnage dont l'entrée est raccordée à la colonne montante et dont la sortie est en purge ; des moyens d-'obturation reliés à l'entrée et à la sortie et commandés de la surface, de façon à obtenir et main tenir dans la chambre un échantillon de la boue venant de la zone annulaire ; des moyens d'expansion de la chambre pour réduire-la pression de l-'échantillon à une valeur prédéter minée ; des moyens de mesure de la pression de l'échantillon dans la chambre ; des moyens de mesure de la densité de la boue dans la chambre ; des moyens de mesure de l'expansion de la chambre permettant de déterminer la quantité de gaz dans l'échantillon ; et des moyens de lecture situés au-des sus de la surface de l'eau et reliés à tous les dits moyens de mesure. 16. Appareil suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens de mesure de la densité de la boue sont disposés à une certaine distance au-dessous du sommet de la chambre.