Brevet FR2347524A1 — publié le 19771104

La présente invention se rapporte aux dispositifs pour le traitement des roches entourant un forage et sert principalement à la perforation par jet hydraulique d'un tubage et à la fracturation hydraulique ultérieure de la couche productive. Il est plus rationnel d'utiliser cette invention pour la fracturation hydraulique des couches gazifères et pétrolifères dans des gisements à plusieurs couches ou à une couche de grande épaisseur. En plus, cette invention peut autre employée pour n'importe quel genre de traitement d'une couche, par exemple à l'acide chlorhydrique, à l'acide à boue, au méthanol, pour le traitement de la couche par des substances tensio-actives et d'autres substances. L'invention proposée permet aussi de créer le nombre requis de fissures de fracturation hydraulique avec une distance donnée entre elles, faites par introduction d'un tubage d'extraction dans le puits sans emploi de "packers" (garnitures d'étanchéité). Ge dispositif peut autre utilisé pour la suppression de l'inondation des puits par injection dans la couche aquifère de différentes- substances durcissables telles que, par exemple, le ciment, et pour la séparation des couches l'une de l'autre en cas de nécessité . Pendant l'exploitation des gisements à plusieurs couches et des gisements d'une grande puissance, par exemple des couches pdtrolifères et des couches gazières, il est indispensable d'augmenter le dégagement de gaz ou le suintement de pétrole. Ceci peut être obtenu suivant plusieurs procédés. Suivant l'un de ces procédés, on effectue la fracturation hydraulique de la couche, et selon une autre on effectue le traitement de la couche avec différentes substances actives comme, par exemple, des acides, des sels, etc. Lorsaue la puissance de la couche est grande, il est souvent nécessaire d'obtenir plusieurs fissures de fracturation dans cette couche. En présence de plusieurs couches productives, il est nécessaire d'obtenir des fissures de fracturation hydraulique et de les traiter ensuite avec des substances actives dans chaque couche. Pour la réalisation de ces opérations il faut faire des orifices dans les parois du tubage. Ces orifices peuvent être exécutés à l'aide de dispositifs variés. On peut utiliser, par exemple, un perforateur à jet. Ce perforateur est constitué par un corps sous forme d'un tube, dans lequel sont fixées rigidement des tuy'eres résistant à l'abrasion. Dans le perforateur est injecté un liquide contenant des abrasifs et qui est éjecté à travers les tuyères en formant des orifices dans le tubage. Les orifices formés par ce perforateur sont de forme irrégulière, souvent en forme de fente. Ce dispositif ne peut pas être employé pour la fracturation hydraulique de la couche, car le jet de liquide éjecté à travers la tuyère ne transmet pas sa pression dynamique à la couche, du fait oue la surface de sa section transversale est notablement infdrieure à la surface de la fente formée dans le tubage et que le liquide retourne librement de la couche au tubage. Il existe des perforateurs à jets munis de tuyères déplaçables comportant sur leur face orientée vers le tubage une fente par laquelle est éjectée le liquide contenant les abrasifs, renvoyé par la paroi du tube lors du serrage des tuyères contre le tubage. Dans ce cas, l'orifice obtenu dans le tubage est en forme de fente et sa surface est notablement supérieure à la surface de la section transversale du jet de liquide passant par les tuyères. De ce fait, ce dispositif ne peut, lui non plus, autre employé pour la fracturation hydraulique de la couche. Outre les dispositifs décrits, on utilise des perforateurs à balles qui forment des orifices dans le tubage par des balles, et des perforateurs à charge creuse dans lesquels, pour la formation des orifices, est utilisée une explosion dirigée. Ces dispositifs s'emploient seulement pour la formation des orifices. Actuellement, on connaît un dispositif qui peut être utilisé pour la perforation par jet hydraulique et pour la fracturation hydraulique ultérieure de la couche à l'aide de ce mevme dispositif. Dans le corps de ce dispositif sont placées de. tuyères mobiles par rapport au corps et résistant à l'usure par abrasion, qui sont retenues, au cours de la perforation, dans le corps à l'aide de ressorts. La perforation étant terminée, on augmente la pression du liquide injecté. Les tuyères s'avancent alors, en venant buter contre le tubage et en fermant la sortie du jet renvoyez par la couche dans le tubage. Dans ce cas, lorsque la pression est suffisante, se produit la fracturation hydraulique de la couche. Toutefois, lors du fonctionnement de ce dispositif il est nécessaire de modifier la pression, ctest-à-dire de maintenir, au cours de la perforation par jet hydraulique, une pression réduite et d'augmenter la pression à la fin de la perforation par jet hydraulique, pour l'avancement des tuyères et pour la création de la pression de fracturation hydraulique. En outre, pour retenir les tuyères dans le corps sous la pression de perforation par jet hydraulique, il est nécessaire d'employer des ressorts puissants qui compliquent notablement la construction du dispositif. Le but de la présente intention est d'éliminer les inconvénients mentiennés. Un autre but de l'inventio proposée est itassurer la formation, dans la paroi du tubage, la formation d'orifices de diamètre requis, pour faciliter la fracturation hydraulique ultérieure de la couche. Encore un but de l'invention est de simplifier la construction du dispositif pour la perforation par jet hydraulique et pour la fracturation hydraulique. Le but de l'invention est aussi de mettre au point un dispositif permettant d'effectuer successivement la perforation du tubage et la fracturation hydraulique de la douche. Pour atteindre ces buts, on s'est proposé de disposer les tuyères résistantes à l'abrasion dans le corps du dispositif de telle façon qu'après la formation de l'orifice dans la paroi du tubage, toate l'énergie cinétique du jet de liquide chargé d'abrasifs soit utilisée pour la fracturation hydraulique de la couche. La solution consiste en ce que dans le dispositif pour le traitement des roches entourant un forage dans lequel est introduit un tubage, comportant un corps creux allongé pourvu de tuyères disposées radialement, ayant la possibilité de se placer vers l'extérieur à partir dudit corps et dans chacune desquelles est ménagé un canal débouchant communiquant avec l'enceinte dudit corps pour le passage, du liquide chargé d'abrasifs, suivant l'invention les faces des tuyères qui sont orientées vers ltextdrieur-du corps du dispositif sont exécutées avec possibilité de serrage intime contre la paroi du tubage, chaque canal débouchant des tuyères possédant sur son extrémité orientée vers les tubages une partie élargie, tandis que dans le corps de chaaue tuyère, dans le secteur élargi du canal débou- chant, sont exécutés des canaux auxiliaires reliés par l'une de leur extrémités à la partie élargie du canal débouchant, et par l'autre extrémité, à l'espace entourant la tuyère,get destinés à la dérivation du liquide chargé d'abrasifs, lors du serrage intime des tuyères contre le tubage, depuis l'enceinte formée par la partie élargie du canal débouchant et par la paroi du tubage. Le fait que les face3 des tuyères orientées vers l'extérieur du corps du dispositif puissent Entre serrées intimement contre la paroi du tubage permet de former dans le tubage des orifices de dimension voulue et d'éviter une briborion indésirable de oet orifice en contribuant de cette façon à la transmission de l'énergie cinétique du jet de liquide, au-delà du tubage, à la couche productive, et en créant, par cela-m8me, la pression de fracturation hydraulique. Le fait que le canal débouchant de la tuyère comporte sur son extrémité orientée vers le tubage une partie élargie permet de former une enceinte au moyen des parois de la partie élargie du canal débouchant et de la paroi du tubage contre laquelle est appliquée la tuyère. IR liquide renvoyé par la paroi du tubage arrive dans cette enceinte sans gêner le processus de perforation. Le fait que dans le corps de la tuyère, dans le secteur élargi du canal débouchant, soient réalisés des canaux auxiliaires reliés par l'une de leurs extrémités à la partie élargie du canal débouchant, et par l'autre, à l'espace entourant la tuyère, permet de dévier le liquide chargé d'abrasifs à partir de 1' enceinte formée par la partie élargie du canal débouchant et la paroi du tubage, au cours de la perforation. I1 est avantageux que les axes des canaux auxiliaires pour la dérivation du milieu liquide soient inclinés par rapport à l'axe longitudinal du corps du dispositif pour le traitement des roches. Une telle inclinaison des axes des canaux de dérivation du milieu liquide par rapport à l'axe longitudinal du corps au dispositif permet d'évacuer avec des pertes de charge minimales -le liquide chargé d'abrasifs à partir de la paroi du tubage. A l'endroit de contact des jets de liquide chargé d'abrasifs, sortant des canaux de dérivation du milieu liquide, il est utile de disposer des appliques en matière'résistante à 1' abrasion. Le fait qu'à l'endroit de contact des jets de liquide contenant les abrasifs, sortant des canaux de dérivation du milieu liquide, soient disposées des appliques en matière résistante à ltabrasion, permet de prolonger notablement la durée de vie du dispositif tout en protégeant son corps contre l'érosion. I1 est avantageux de réaliser des chanfreins sur celles des extrémités des tuyères qui sont orientées vers le tubage, pour éviter leur endommagement au cours de la remontée du dispositif. L'exécution de tels chanfreins sur les extrémités des tuyères orientées vers le tubage prévient leur accrochage aux paroi s du tubage au cours du déplacement du dispositif, et permet de faire rentrer les tuyères dans le corps en cours de remontée ou de descente du dispositif. I1 est désirable de ménager des rainures circulaires surcelles des extrémités des tuyères qui sont orientées vers l'intérieur du corps, et ce afin d'y placer des bagues d'étanchéité. L'exécution de ces rainures circulaires sur les extrémités des tuyères orientées vers l'intérieur du corps permet de placer dans celles-ci des bagues d'étanchéité, ce qui évite le suintement du liquide chargé d'abrasifs dans le jeu entre lesltuyères et le corps et exclut par conséquent ltérosioVdu corps. Il est utile de pratiquer des encoches longitudinales sur les surfaces latérales des tuyères, pour l'introduction d'une cheville ?mixée dans le corps et limitant la course de la tuyère. L'exécution de ces encoches longitudinales sur les surfaces latérales des tuyères permet d'y placer des chevilles limitant la course des tuyères et prévenant en même temps la rotation des tuyères autour de leur axe. I1 est avantageux que la face de la tuyère qui s'applique sur le tubage soit convexe, afin que cette face soit serrée intimement contre le tubage. Le fait tue la surface de la tuyère dextinée à s'appliquer sur le tubage soit convexe de sorte qu'elle puisse être serrée intimement contre le tubage permet de réduire le suintement du liquide chargé d'abrasifs entre le tubage et la face convexe de la tuyère, ce qui diminue l'érosion de cette face de la tuyère et augmente en conséquence la durée de vie du dispositif. Dnns ce rui suit, l'invention est expliquée par la description détaillée d'un exemple concret mais non limitatif de réalisation de celle-ci et par les dessins annexés qui représentent : - la figure 1, une vue d'ensemble du côté de la tuyère du dispositif proposé pour le traitement des roches entourant un forage - la figure 2, une vue en coupe suivant l'axe longitudinal du dispositif pour le traitement des roches entourant un forage ; - la figure 3, une vue en coupe du meme dispositif suivant ITI-III de la figure 1 - la figure 4, une vue latérale de la tuyère, avec coupe longitudinale partielle ; - lafigure 5, une vue en coupe partielle de la tuyère, du côté de sa face orientée vers l'extérieur du corps du dispositif ;; - la figure 6, une vue de la tuyère du côté de l'extrémité de sortie de l'un des canaux auxiliaires destinés à la dérivation du liquide chargé d'abrasifs depuis la partie élargie du canal débouchant ; - la figure 7, une vue d'ensemble du dispositif de l'invention fixé dans le puits. Le dispositif proposé pour B-traitement des roches entourant un .forage comprend un corps 1 (figures 1,2) exécuté sous forme d'une tubulure cylindrique comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie. L'extrémité de sortie du corps 1 est dotée d'un filetage pour Sa fixation sur les tubes amenant le liquide chargé d'abrasifs. Dans le corps 1 sont disposées radialement des tuyères ; pouvant se déplacer librement à partir du milieu du corps 1 vers sa périphérie. Les tuyères 2 (figures 2,3,4,5,6) sont de forme cylindrique et sont réalisées avec possibilité dQ serrage intime contre la paroi du tubage, ce qui s'obtient par le fait que la face 3 (figures 4, 6) de la tuyère, orientée vers le tubage et destinée à Btre serrée contre celui-ci, est exécutée convexe, de forme cylindrique. Chaque tuyère 2 est pourvue d'un canal longitudinal débouchant 4 de forme conique Le canal 4 est relié par- l'une de ses extrémités à l1 enceinte intérieure du corps 1 et est orienté par son autre extrémité vers l'extérieur du corps 1 c'est-à-dire vers le tubage. Chaque canal débouchant 4 possède, à son extrémité orientée vers le tubage, une partie élargie 5. Les auteurs de l'invention ont trouvé que la meilleure forme pour la partie élargie 5 du canal débouchant 4, était la forme cylindrique, ce qui assurait le passage libre du jet de liquide chargé d'abrasifs lors de la perforation de la paroi du tubage et contribuait à former dans le tubage un orifice de section requis. Dans le corps de chaque tuyère 2, dans le secteur de l'élargissement 5 du canal débouchant 4, du cSté orientd vers le tubage, sont pratiqués des canaux auxiliaires 6. Ces canaux auxiliaires sont réunis, par l'une de leurs extrémités, avec la partie élargie 5 du canal débouchant 4 et, par leur autre extrémité, ou extrémité de sortie, avec l'espace entourant la tuyère 2. Les extrémités de sortie des canaux auxiliaires 6 débouchent des tuyères 2 à travers leurs surfaces latérales. Les axes des canaux auxiliaires 6 sont inclinés par rapport à l'axe longitudinal du corps 1. Les canaux auxiliaires 6 sont destinés à la dérivation du liquide chargé d'abra5ifs, lors de l'application des tuyères 2 contre la paroi du tubage, depuis l'enceinte formée par la partie élargie 5 du canal débouchant 4 et par la paroi du tubage. Aux endroits de contact des jets de liquide sortant des canaux auxilaires 6 destinés à la dérivation du liquide chargé d'abrasifs à partir du corps, sont fixées, par des clavettes 7 (figures 1, 2), des appliques 8 réalisées en matière résistante à l'abrasion. Ces appliques 8 protègent le corps 1 du dispositif pour le traitement des roches entourant le forage contre l'action destructive du jet de liquide chargé d'abrasifs et sortant des canaux 6 destinés à la dérivation du liquide chargé d'abrasifs à partir de la partie 5 des canaux débouchants 4 des tuyères 2. Pour protéger les tuyères 2 contre les endommagements au cours de la remontée du dispositif à la fin du travail, et pour assurer leur retour en position initials, celles des extrémités des tuyères 2 qui sont orientées vers les tubages sont pourvues de- chanfreins 9. A celle des extrémités de chaque tuyère 2 qui est orientée vers l'intérieur du corps 1, plus précisément sur sa surface latérale, est usinée une rainure circulaire 10. Dans cette rainure 10 est placée une bague d'étanchéité qui peut titre en caoutchouc. Sur les surfaces latérales des tuyères 2 sont faites des encoches longitudinales 11 dans lesquelles sont introduites des chevilles 12 limitant la course des tuyères 2 et évitant leur rotation autour de leur axe par rapport au corps 1. Les chevilles 12 sont fixées rigidement dans le corps 1. Le dispositif décrit pour le traitement des roches entourant le forage fonctionne de la manière ci-après. Dans la position où les tuyères 2 sont rentées dans le corps 1 du dispositif pour le traitement des roches, le dispositif se fixe sur le tubage d'extraction 13 (figure 7) pour -amener le liquide chargé d'abrasifs et est abaissé dans le puits à la profondeur requise. Le tubage 13, sur lesquels est fixé le dispositif pour le traitement des roches entourant le forage, est relié aux groupes haute pression et au dispositif pour l'amenée de la matière-abrasive, par exemple le sable (non représentés sur les dessins). D'après les mesures effectuées au préalable on détermine la profondeur de gisement des couches productives et on descend le dispositif de traitement des roches dans le puits de façon que les tuyères 2 se placent en face de l'endroit chosi pour la formation de la fissure t4 de fracturation hydraulique. En mtme temps on détermine le nombre requis ae fissures de fracturation hydraulique. S'il s'agit d'une couche de grande puissance on réalise les fissures dans cette couche. S'il y a plusieurs couches on exécute les fissures dans chaque couche. Pour assurer la stabilité du dispositif de traitement des roches, il faut que, au cours de son fonctionnement, il soit bien fixé dans le puits. C'est pourquoi on descend dans le puits, conjointement avec le dispositif de traitement des roches une ancre hydraulique 1 5 fixée sur la même colonne de -tubage 13. Cette ancre est de n'importe quelle construction connue assurant une fixation parfaite dans le puits du dispositif pour le traitement des roches. Il est aussi désirable d'utiliser, conjointement avec le dispositif pour le traitement des roches ertourant le forage, un dispositif de centrage de n'importe quelle construction connue, permettant de disposer le dispositif pour le traitement des roches suivant le centre de tubage, ce qui est nécessaire pour l'avancement régulier des tuyères 2 à partir du corps 1 du dispositif pour le traitement des roches. Après la mise en place du dispositif pour le traitement des roches en face de l'endroit de formation de l'orifice, on injecte dans le tubage 13, sur lequel sont fixés le dispositif pour le traitent des roches et l'ancre hydraulique 15, le liquide chargé d'abrasifs fourni par les groupes haute pression. Sous l'action de la pression du liquide, l'ancrehydraulique 15 se met en action et bloque le dispositif pour le traitement des roches dans le puits. Le liquide sous haute pression pénètre dans le corps 1 du dispositif pour le traitement des roches et fait avancer les tuyères 2 depuis le corps 1. Sous l'action de la pression du liquide, les tuyères 2 s'appliquent étroitement contre la paroi du tubage. Le liquide commence alors à agir sur la paroi du tubage. Le jet de liquide chargé d'abrasifs, renvoyé par la paroi du tubage, arrive dans la partie élargie 5 du canal débouchant 4 et est dévié à travers les canaux auxiliaires 6 des tuyères 2 vers l'espace entourant les tuyères 2. L'inclinaison des canaux auxilaires 6 vers l'axe longitudinal du corps 1 diminue la résistance opposée au liquide charmé d'abrasifs qui passe par les canaux auxiliaires 6. Le liquide sortant des canaux 6 se heurte contre le corps 1 du dispositif pour le traitement des roches. Pour protéger le corps 1 du dispositif aux endroits de rencontre avec le jet de liquide chargé d'abrasifs, sont montées les appliques E (figure 1) en matière résistante à l'abrasion, qui protègent le corps contre la destruction. Dela sorte, gracie à l'action abrasive du liquide sur la paroi du tubage, ce dernier est perforé, c'est-à-dire qu'il s'y forme des orifices. Comme l'on montré les essais, le diamètre de l'orifice obtenu dans la paroi du tubage correspond strictement au diamètre de la partie élargie 5 du canal débouchant 4 de la tuyère 2. Ceci permet d'utiliser l'énergie cinétique du jet passant par la tuyère 2 pour la création une pression dynamique du liquide au delà du tubage, dans la couche productive, et de réaliser, gråee à ce fait, la fracturation hydraulique de la couche sans pertes de charge, car, dans ce cas, il n'y a pas de retour du liquide refoulé depuis la couche à l'intérieur de tubage. La pression du liquide chargé d'abrasifs refoulé dans le dispositif pour le traitement des roches est maintenue au niveau nécessaire pour la formation de l'orifice dans la paroi du tubage. Après la formation des orifices dans la paroi du tubage, ces orifices peuvent être utilisés soit pour le traitement, au moyen de diverses substances des roches entourant le forage, soit pour la fracturation hydraulique de la couche productive. Pour la formation de la fissure 14 de fracturation hydraulique après la formation de ltorifice dans la paroi du tubage on augmente la pression du liquide i abrasifs jusqu'à la valeur nécessaire pour la fracturation hydraulique de la couche, et on effectue la fracturation hydraulique de la couche. Il est possible, dès le début de l'injection du liquide dans le dispositif pour le traitement des roches, de refouler ledit liquide sous une pression assurant la formation de la fissure ae fracturation hydraulique. Dans ce cas, les opérations de modification de la pression sont exclues et les dsux processus de perforation par jet hydraulique et de fracturation hydraulique se déroulent avec une pression onstante non inférieure à la pression de fracturation hydraulique de la couche. Après la formation de la fissure 14 de fracturation hydraulique, on injecte du sable dans cette fissure, à travers les mimes tuyères, pour éviter l'obturation de la fissure. En cas de nécessite de former plusieurs fissures de fracturation hydrqulique, on place le dispositif pour le traitement des roches, sans le retirer du puits, en face de l'endroit choisi pour la formation de la fissure, et on répète les opérations décrites ci-dessus. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. FVENDICATIONS 1. Dispositif pour le traitement des roches entourant un forage dans lequel est introduit un tubage, du type comportant un corps creux allongé dans lequel sont montées des tuyères disposées radialement, pouvant avancer vers l'extérieur par rapport audit corps, et dans chacune desquelles est pratiqué un canal débouchant communiquant avec l'enceinte dudit corps pour le passage d'un liquide chargé d'abrasif s, caractérisé en ce que celle des faces de chaque tuyère qui est orientée vers l'extérieur du corps du dispositif est réalisée de manière à pouvoir autre serrée étroitement contre la paroi du tubage, que le canal débouchant de chaque tuyère comporte, du côté de ladite face, une partie élargie, et que dans le corps de chaque tuyère, dans le secteur élargi du canal débouchant, sont ménagés des canaux auxiliaires reliés par l'une de leurs extrémités à la partie élargie du canal débouchant, et par leur autre extrémité, à l'espace entourant la tuyère, et destinés à dvacuer le liquide chargé d'abrasifs se trouvant, lors du serrage étroit des tuyères contre le tubage, dans l'enceinte formée par la partie élargie du canal débouchant et par la paroi du tubage. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de chaque canal auxiliaire précité servant à l'évacuation du milieu liquide est incliné par rapport à l'axe longitudinal du corps du dispositif. 3. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à l'endroit de contact des jets de liquide chargé d'abrasifs, sortant desdits canaux auxiliaires d'évacuation du milieu liquide, sont montées des appliques en matière résistante à l'abrasion. 4. Dispositif conforme-à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que celle des extrémités de chaque tuyère qui est orientée vers le tubage comporte des chanfreins pour éviter l'endommagèment des tuyères au cours de la remontée du dispositif. 5. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, à celle des extrémités de chaque tuyère qui est orientée vers l'intérieur du corps du dispositif, est ménagée une rainure circulaire pour la mise en place d'une bague d'étanchéité. 6. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que sur les surfaces latérales de chaque tuy'ere il y a des encoches longitudinales pour l'introduction d'une cheville limitant la course de la tuyère et prévenant sa rotåtion, ladite cheville étant fixée dans le corps du dispositif. 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que celle des surfaces de chaque tuyère nui est destinée à s'appliquer sur le tubage est convexe, afin qu'elle puisse être serrée étroitement contre le tubage.