Brevet FR2322705A1 — publié le 19770401

la présente invention concerne la cimentation des puits de prétrole et de gaz et, notamment, la technique et la technologie de la préparation des coulis de ciment de bouchage. La cimentation est ltopération la plus délicate dans la construction des puits de pétrole et de gaz. a réussite de la cimentation des puits profonds dépend beaucoup de la qualité du coulis de ciment introduit dans le puits. Ce qui est le plus important, c'est de maintenir, durant tout le processus de préparation du coulis de ciment, une densité prédéterminée dudit coulis de ciment, puisque même les écarts insignifiants de cette densité peuvent causer des accidents sérieux. On connalt un procédé caractérisé par un réglage discontinu de la densité du coulis de cimentation de puits en faisant varier le débit du liquide de gâchage par la mise en jeu d'une buse de diamètre nécessaire en tournant un magasin, en remplaçant la buse ou en faisant varier la pression sous laquelle liquide de gâ- chage est injecté (voir, par exemple, S.B.Logvinenko, technique et Technologie de la cimentation des puits" (en russe, Editions "Nedra", t968). Selon ce procédé, la préparation du coulis de ciment et le réglage de sa densité s'effectuent dans l'ordre suivant - un mélange sec pour cimentation est amené par l'intermédiaire d'un entonnoir dans une chambre de mélange; - le liquide de gâchage pour la préparation du coulis de ciment est injecté par une buse remplaçable dans ladite chambre de mélange; - le mélange sec et le liquide de gâchage sont malaxés dans la chambre de mélange; - le coulis de ciment préparé est envoyé dans une canalisation d'évacuation. Ce procédé comporte les inconvénients suivants - il ne donne pas la possibilité d'un réglage continu de la densité du coulis de ciment durant le processus de préparation; - il se caractérise par des pertes considérables du coulis de ciment envoyé aux déblais, du fait qu'au début du processus de préparation sa densité n'est pas conforme aux exigences; - il demande un temps prolongé pour entrer en régime de préparation d'un coulis de densité voulue. On connaît également un autre procéda de réglage de la densité du coulis de ciment, consistant en ce que l'on modifie la densité du coulis de ciment déjà préparé en le délayant par un liquide amené à travers une dérivation directement dans la canalisation d'évacuation sans faire intervenir un mélangeur à jet (voir S.B. Logvineeko, technique et Technologie de la cimentation des puits", en russe, Editions "Nedra't, 1965). Dans ce cas on procède dans l'ordre suivant - on amène un mélange sec de cimentation dans un chambre de mélange; - on refoule le liquide de gâchage dans la chambre de mélange; - on malaxe ledit mélange sec avec le liquide de gâchage dans la chambre de mélange; - on envoie le coulis de ciment préparé dans une canalisation d'évacuation; on dilue le coulis de ciment dans la canalisation dbsa- cuation, jusqu'à obtention de la densité voulue, par la liquide de gâchage. Ce procédé comporte les inconvénients suivants - il ne donne pas la possibilité de régler la densité du coulis de ciment dans le sens de son augmentation, le réglage n'étant possible que dans le sens de la diminution de la densité; - il exige un temps prolongé pour la mise en régime de fonctionnement normal; - on 'évite pas les pertes considérables du coulis de ciment. Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés et- de créer un procédé permettant d'obtenir rapidement la densité nécessaire du coulis de cimentation au cours de sa préparation lors de la cimentation du puits, assurant la stabilité de cette densité durant tout le processus de préparation avec un rendement assigné du processus, excluant les pertes de coulis de ciment ne satisfaisant pas aux conditions, et évitant ainsi une-mauvaise qualité de cimentation des puits la préparation des coulis de cimentation s'effectue à l'aide d'appareils connus qui sont des mélangeurs à jet. Ainsi, on connaît par exemple un mélangeur à jet comportant une chambre due mélange, à laquelle est fixée une canalisation d'évacuation et une tubulure coudée ayant une buse non interchangeable s'élargissant en cône, et un ajutage interchangeable à orifice cylindrique qui, après dévissage d'un bouchon, est vissé dans le corps de la tubulure coudée (N.G. Xourbanov, "Appareil de cimentation IAC-2O", "Machines et équipement pétroliers. ITS", en russe, N06, Ive., VNIIOENG, 1966, annexe N01). On connaît aussi un mélangeur à jet constitué par une canalisation d'évacuation fixée à la chambre de mélange. Du côté opposé de ladite chambre de mélange est fixée une tubulure coudée. la tubulure coudée contient un barrilet rotatif dont la bride est percée d'orifices de diamètres différents. En faisant eolncider un orifice de diamètre nécessaire avec la buse, on peut modifier d'une façon discontinue le débit de l'appareil ét la densité du coulis de cimentation sans interrompre le processus de preparation dudit coulis. Pour faire tourner le barrillet, on libère, à laide d'une manivelle, un fixateur à bille, et ensuite, en tournant la manivelle on fait colncider l'orifice nécessaire avec la buse, et on fixe de nouveau ce dernier à l'aide de ladite manivelle (voir S ogvinenko, " Technique et Technologie de la cimentation des puits", M., Editins "Nedra", 1965, page 10, annexe nO 2). -A l'étranger on utilise largement un mélangeur à jet fabriqué par la compagnie "Ealiburton". Cet appareil comprend un entonnoir conique fixé à une chambre de mélange, une canalisation d'évacuation- étant fixée, elle aussi, à ladite chambre de melange. Du côté opposé, dans la chambre de mélange, est disposé un organe servant à modifier la section d'une buse et réalisé sous forme d'un bouchon rodé à trois orifices de sections différentes et un grand orifice pour le passage du liquide de gâchage et la communication avec un conduit par lequel est amené le liquide de gâchage. Lors de la préparation du coulis les changemen+s d'orifices s'effectuent par rotation du bouchon. (voir "Composite Catalog of oil field équipment and service", USA V-II, 1966-67). L'inconvénient de ces appareils connus consiste en ce qu'ils ne permettent pas de régler la densité du coulis de cimentation tout en maintenant à une valeur constante déterminée le débit du liquide de gâchage. Un autre inconvénient desdits appareils réside dans le fait qu'ils exigent un temps prolongé pour leur mise en régime de fonctionnement assurant la densité requise du coulis de ciment,ce qui cause des pertes considérables dudit coulis. L'invention a donc en outre pour but de créer un dispositif nouveau assurant le réglage de la densité du coulis de cimentation tout en maintenant constant le débit du liquide de gâchage, en réduisant le temps nécessaire à la mise en régime assurant une densité prédéterminée, et en évitant l'obtention de coulis ne satisfaisant pas aux conditions requises. Dans le cadre de l'invention on s'est proposé de modifier le caractère de l'interaction des flux de liquide de gâchage et de matière sèche de cimentation de façon que l'on puisse modifier le rapport des agrégats entrant dans la composition du coulis dans la zone de mélange. Selon l'invention, ce problème est résolu grâce à un procédé de réglage de la densité d'un coulis de cimentation obtenu par voie de malaxage d'une matière sèche de cimentation et d 'un liquide de gâchage amenés en continu, après quoi s'effectue l'éva- cuationdu coulis cimentation préparé, ledit procédé étant carac térisar le fait que l'on impose au courant du liquide de gâchage la forme d'un jet plat amené dans la zone de mélange, et que pour le réglage de la surface de prise de la matière sèche, ledit jet plat est tourné dans la zone de mélange autour de l'axe longitudinal dudit jet, de l'angle nécessaire à l'obtention de la densité voulue du coulis de cimentation. Une telle solution technique permet de régler la densité tu coulis de cimentation en préparation, le débit du liquide de gâchage étant constant, et de réduire sensiblement le temps de réglage et d'obtention de la densité voulue. Conformément à une variante de réalisation du procédé de l'invention, celui-ci est caractérisé par le. fait qu'en cas d'amenée verticale de la matière sèche de cimentation par gravité, on dirige le jet plat mentionné horizontalement à travers le flux de matière sèche, et on le tourne autour de son axe central de symétrie. Une telle solution te nique permet à son tour d'effectuer un réglage de la densité du coulis de cimentation, quel que soit la niveau constant de la matière sèche dans l'entonnoir de réception du mélangeur. L'invention a en outre pour objet un dispositif pour le réglage de la densité d'un coulis de cimentation dans un mélangeur à jet par la procédé proposé, ledit mélangeur à jet comportant un entonnoir de réception des matières sèches de cimentation, une chambre de mélange dans laquelle sont disposés, suivant un même axe, une canalisation d'évacuation et un ensemble de refoulement du liquide de gâchage, ledit refoulement se faisant à travers une buse, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que dans l'ensemble de refoulement mentionné est montée une douille tournante renfermant une buse, ladite buse ayant un orifice de sortie en fente, en ce que des moyens sont prévus pour faire tourner la douille avec ia buse autour de leur axe longitudinal commun. Une telle conception permet de faire tourner le jet plat de liquide de gâchage dans l'appareil mélangeur sans interrompre le processus de préparation du coulis de cimentation. Selon une autre variante de réalisation du dispositif de l'invention, celui-ci est caractérisé par le. fait que l'ori- fice de sortie de la buse est réalisé sous forme d'une fente rectangulaire dont le rapport des côtés de la section de passage est compris dans les limites de 1/2 à 1/15. Une telle solution technique permet de préparer un coulis de cimentation avec la densité voulue, à partir d'une matière de cimentation ou d'une composition quelconque. Conformément à une autre variante de réalisation de l'invention, le dispositif est caractérisé par le fait que ladite douille tournante est rendue étanche à l'endroit de son montage dans l'ensemble de refoulement du liquide de gâchage, et qu'elle possède un orifice radial débouchant pratiqué dans ses parois tandis que la buse comporte une bride avec deux méplats parallèles, qui est introduite dans ledit orifice radial et est poussée jusqu'à ce qu'elle bute contre un épaulement de la douille, ce qui empêche la rotation de la buse dans la douille, les ouvertures formées par l'orifice radial dans les parois de la douille étant mises en communication permanente avec la canalisation d'amenée du liquide de gâchage. Une telle solution technique permet d'utiliser des ouvertures de la douille pour le montage de la buse et pour l'amenée, à travers ces ouvertures, du liquide de gâchage, ainsi que de faire tourner la buse conjointement avec la douille. Selon encore une variante de réalisation de l'invention, le dispositif est caractérisé par le fait que ladite douille tournante est disposée dans une tubulure coudée faisant partie de l'ensemble de refoulement, et la queue de la douille et l'endroit correspondant de la tubulure coudée comportant des encoches coïnci- dantes recevant un étrier élastiQue empêchant tout déplacement axial de la douille. L'avantage procuré par cette solution technique réside dans le fait qu'il est; possible de remplacer la buse en quelques secondes seulement . Et enfin, selon encore une variante de réalisation de l'invention, le dispositif est caractérisé par le fait que la queue de la douille faisant saillie au-delà de la tubulure coudée comporte un moyen de rotation de la douille, doté d'une échelle circulaire graduée. Cela donne la possibilité, en faisant tourner préalablement la buse d'un angle approprié au matériau de cimentation considéré, d'obtenir la densité voulue dès le commencement du processus de préparation du coulis de cimentation. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront mieux de a description détaillée, donnée ci-dessous , de plusieurs exemples de la réalisation du dispositif et de mise en oeu vredu procédé proposés, cette description étant accompagnée des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement celle des positions du dispositif qui assure la prise maximale de matières sèches de cimentation et la densité maximale du coulis de ciment préparé; - la figure 2 représente l'orientation du jet dans le cas de la prise minimale de matières sèches de cimentation, la densité obtenue dans ce cas étant minimale; - la figure 3 montre l'orientation du jet donnant lieu à une prise moyenne des matières sèches de cimentation, la densité, dans ce cas, étant moyenne;; - la figure 4 montre graphiquement la variation de la densité du coulis de ciment en fonction de la valeur de l'angle de rotation du plan du jet de liquide de gâchage; - la figure 5 représente en vue générale, en coupe, du dispositif de l'invention; - la figure 6 représente une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 5; - la figure 7 est une vue éclatée de l'ensemble de refoulement avec la buse. La réglage de la densité d'un coulis de cimentation au moyen du procédé proposé prévoit la réalisation des opérations spécifiées ci-dessous dans l'ordre décrit. Un mélange sec de cimentation "N" (figure 1 à 3) est amené depuis une trémie à un entonnoir de réception et ensuite dans la chambre de mélange. Un liquide de gâchage "A" est injecté à travers la buse dans la chambre de mélange. Un liquide de gâchage "A" est injecté à travers la buse dans la chambre de mélange. Dans ce cas, on impose au préalable audit flux de liquide de gâchage "A" la forme d'un jet plat à l'aide de la fente rectangulaire de la buse. Lorsque la pression est de 10 à 20 kgf/cm2, le jet conserve sa forme imposée sur la longueur d'une partie de la chambre de mélange, sans se disperser En vue de modifier la densité du coulis de ciment, on fait tourner le jet plat autour de son axe de symétrie par rapport à la veine de matières sèches de cimentation. tors de la rotation du jet plat sa surface de projection sur le plan perpendiculaire au flux de matières sèches de cimentation change, ce qui entraîne un changement de la quantité du mélange sec pris "N". Ainsi, dans le cas de la position horizontale du jet plat (figure 1), quand le côté large "3" dudit jet est perpendiculaire au flux de matières sèches, il se produit une prise maximale du mélange sec, et le coulis de ciment préparé est caractérisé par une densité maximale. La matière de cimentation se trouvant dans la chambre de mélange au-dessous du jet et la section limitée par l'angle de la pente naturélle formée par suite de la chute de la matière sèche de cimentation reste immobile. En cas de position verticale du jet (figure 2), quand son côté étroit "H" est perpendiculaire au flux de matière sèche "N" il se produit une prise minimale du mélange sec, ce qui assure une densité minimale, du coulis de cimentation.Dans les positions intermédiaires du jet (figure 3), la surface de la prise du mélange sec est déterminée par la projection horizontale "E" du jet. Ce cette façon, en faisant varier la surface de projection du jet du liquide de gâchage "A" sur le plan perpendiculaire au flux de matière sèche de cimentation "N", grâce à une rotation dudit jet autour de son axe de symétrie, sans changer la buse, le débit du liquide de gâchage étant toujours constant, on fait varier la quantité de mélange sec pris, et par conséquent il devient possible de modifier la-densité du coulis de cimentation à partir d'une densité minimale jusqu'à une densité maximale. la variation de la densité du coulis de cimentation en fonction de 11 angle de rotation du plan du jet de liquide de gâchage "A" par rapport au flux de matières sèches "N" est représentée graphiquement sur IL figure 4. ledit graphique est établi à partir des données obtenues lors de la préparation des coulis de cimentation à base de ciment portland. le graphique représenté montre que lors de la rotation du jet plat par rapport au flux de matières sèches de O à 900, la densité du coulis de cimentation varie linéairement de 1,74 g/cm3 à 1,96 g/cm3 respectivement (points 1,2,3,4,5,6,7), les écarts de la densité du coulis de cimentation constituant + 0,02 g/cm3 pour n'im- porte quelle position de la buse. le ciment portland est destiné à la préparation des coulis de cimentation ayant une densité allant de 1,78 à 1,83 g/cm3. Dans le cadre de l'exemple considéré on obtient une densité comprise dans les limites de 1,74 à 1,96 g/cm3, donc, les limites de la densité imposées aux coulis à base de ciment portland sont respectées. Ainsi, par exemple, lors de la cimentation d'un puits, selon les données fournies par des analyses de laboratoire, il fallait maintenir la densité du coulis de ciment entre 1,78 et 1,83 g/cm3. On a installé dans le mélangeur à jet une buse ayant un orifice en fente, dont la surface était équivalente à la surface d'un trou rond de 12 mm de diamètre, en disposant ladite fente verticalement (oL= O) . La liquide i gâchage étant introduit dans le mélangeur sous pression de 15 kgf/cm2, on a obtenu un coulis de ciment ayantune densité de 1,73 g/cm3. Après avoir fait tourner la buse de 300 par rapport à la verticale, sans modifier toutefois la valeur de pression du liquide de gâchage, on a obtenu un coulis de ciment ayant une densité de 1,80 g/cm3. Be temps nécessaire à la préparation du coulis de ciment de densité imposée a été de 29 secondes. A ce régime de préparation, la consommation du ciment portland a constitué 20 t. Au cours de tout le processus on a réalisé 40 mesures de contrôle de densité. Dans tous les cas la densité était de 1,80 g/cm). Ie dispositif proposé est constitué par un entonnoir de réception 1 (figure 5) fixé à une chambre de mélange 2. Une canalisation d'évacuation 3 est fixée aussi à la chambre de mélange 2, tandis que du côté opposé, suivant un axe commun, est monté un ensemble de refoulement ou d'injection du liquide de gâchage réalisé sous forme d'une tubulure coudée 4 dotée d'une buse 5. La tubulure coudée 4 est vissée dans la chambre de mélange 2 et fixée au moyen d'un contre-écrou 6. Be creux alésé de la tubulure 4 reçoit une douille rotative 7 (figure 6) avec une échelle circulaire 8 indiquant son angle de rotation. Pour la rotation de la douille 7 celle-ci est munie d'une manivelle 9. Bes surfaces cylindriques de la douille 7 sont rendues étanches dans l'alésage de la tubulure coudée 4 au moyen de bagues d'étanchéité en caoutchouc 10. La position de la douille 7 dans le sens axial par rapport à la tubulure coudée 4 est fixée à l'aide d'un étrier élastique amovible Il (figure 7) introduit dans des encoches 12 de la tubulure coudée 4 et dans une gorge annulaire 17 ménagée dans la douille 7 et n'empechant pas la rotation de la douille. La buse 5 ayant un afficesous forme d'une fente 14 est mise en place a travers une ouverture de la douille 7 et est poussée jusqu'à ce qu'elle bute contre un épaulement de la douille.La surface cylindrique de la buse 5 est rendue étanche au moyen d'une bague d'étanchdité en caoutchouc 15 logée dans une rainure annulaire intérieure de la douille 7. La douille 7 peut, au moyen de la manivelle 9,autre tournée avec la buse 5 de l'angle voulu par rapport à un repère 16 de la tubulure coudée 4. Une conduite 17- faisant partie de la tubulure coudée 4 est équipée d'un filtre 18, le liquide de gâchage arrivant à travers ledit filtre à l'intérieur de IL douille 7 et s'écoulant par la fente 14 ménagée dans la buse 5. le dispositif décrit fonctionne de la façon suivante. le liquide de gâchage refoulé sous une certaine pression, a travers la conduite 17 et la fente 14 de la buse 5 forme un jet plat. Au début du processus la buse 5 à orifice en fente et le jet sont mis dans une position horizontale. Dès que la pression du jet de liquide de gâchage atteint le niveau nécessaire, la matière sèche de cimentation est amenée à travers l'entonnoir 1 dans le cham bre de mélange 2. La matière sèche est entraînée par le jet, se mélange dans la chambre 2 avec le liquide de gâchage et est envoyé dans la canalisation d'évacuation 9. En fonction de la valeur d'écart de la densité du coulis de ciment de celle assignée; on fait tourner de l'angle nécessaire la douille 7 avec la buse 5 et par conséquent le jet de liquide de gâchage, la valeur dudit angle appropriée à chaque composition du coulis de cimentation à obtenir étant indiquée dans un tableau fourni avec le mélangeur à jet. La présente description concerne la préparation des coulis de cimentation-de puits, puisque le maintien d'une densité constante assignée d'un tel coulis a une importance particulière. Mais il est tout à fait évident que le procédé proposé et le dispositif pour sa mise en oeuvre peuvent être appliqués lors de la préparation des boues de forage, des mortiers et d'autres coulis, ainsi que dans tout processus où il est nécessaire de régler en continu le rapport des quantités des constituants liquides et solides au cours de leur interaction. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens dé crits ainsi que leurs ccmbinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. procédé de réglage de la densité d'un coulis de cimentation obtenu en mélangeant un flux de matière sèche de cimentation et un flux de liquide de gâchage amenés-en continu dans la zone de mélange, après quoi le coulis ainsi préparé est évacué, caractérisé en ce que ledit flux de liquide de gâchage est amené dans la zone de mélange, sous forme d'un jet plat, et que le réglage de ladite densité du coulis s'effectue par réglage de la surface de prise de la matière sèche par ledit jet plat dans la zone de mélange en faisant tourner ce dernier autour de son axe longitudinal d'un angle correspondant à la densité nécessaire du coulis. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'amenée de la matière sèche de cimentation par gravitation, on dirige ledit jet plat horizontalement cte t-à-dire transversalement au flux de matière sèche, et on le tourne autour de son axe central de symétrie. 3. Dispositif pour régler la densité d'un coulis de cimentation d'un puits conformément au procédé suivant l'une des revendications 1 et 2 dans un mélangeur à jet comprenant un entonnoir de réception de la matière sèche de cimentation , une chambre de mélange dans laquelle sont disposés, suivant un axe cc-amun, une canalisation d'évacuation et un ensemble de refoulement ou d'injection du liquide de gâchage par l'intermédiaire d'une buse, caractérisé en ce que dans ledit ensemble d'injection ou de refoulement est montée une douille rotative dans-laquelle est placée une buse à orifice de sortie sous forme d'une fente et que des moyens sont prévus pour tourner la douille avec la buse autour de leur axe longitudinal commun. 4. Dispositif selon la revendicaion 3, caractérisé er ce que l'orifice de sortie de la buse est réalisé sous forme d'une fente rectangulaire dont le rapport des côtés de la section de passage est compris dans les limites de 1/2 à 1/15 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite douille tournante est rendue étanche dans la zone de son montage dans l'ensemble d'injection ou de refoulement du liquide de gâchage et possède une rainure radiale débou chante ménagée dans ses parois et en ce que la buse comporte une bride à méplats parallèles, introduite à fond dans ladite rainure radiale et butant contre un épaulement de la douille, ce qui empeche la rotation de la buse dans la douille, les ouvertures formées dans les parois de ladite douille par ladire rainure radiale étant en communication p-ermanente avec le canal d 'amenée du liquide de gâchage. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3,4 ou 5, caractérisé en ce que ladite douille tournante est placée dans une tubulure coudée faisant partie dudit ensemble d'injection de refoulement, et en ce que des encoches respectives colncidantes sont réalisées sur la queue de la douille et dans la zone correspondante de la tubulure coudée, lesdites encoches recevant un étrier élastique amovible prévu pour empêcher le déplacement axial de la douille. 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la queue de la douille fait saillie au-delà de la tubulure coudée et comporte un moyen permettant de faire tourner ladite douille et muni d'une échelle graduée circulaire.