Brevet FR2459358A2 — publié le 19810109

FR 2459358 A2 19810109 FR 7915449 A 19790615 L'invention concerne un dispositif et un procédé permettant d'isoler une zone souterraine productrice d'un fluide tel que le pétrole, le gaz naturel ou un mélange des deux. L'invention s'applique tout particulièrement au recondi- tionnement d'un puits de pétrole en ce qu'elle permet le retrait de la colonne de production ou le reconditionnement du puits sans avoir à le tuer. Pour les puits de pétrole dont la production naturelle est insuffisante ou instable (puits dits "semi-éruptifs"), on utilise une pompe électrique placée à proximité et au-dessus de la zone de production de façon à faire remonter le fluide jusqu'à la surface. La pompe est placée à l'extrémité infé- rieure de la colonne de production et est alimentée en puissance électrique à l'aide d'un câble électrique reliant la pompe à la source d'énergie électrique située en surface. En cas de mauvais fonctionnement ou de panne du système de pompages de la pompe, du moteur ou du câble électrique d'alimentation, il est nécessaire de remonter la pompe pour vérification et réparation si nécessaire, donc de retirer toute la colonne de production. Pour ce faire, il faut au préalable tuer le puits, c'est-à-dire exercer sur la zone productrice une pression hydro- statique supérieure à la pression de cette zone de façon à prévenir toute éruption. Cette opération s'accompagne d'une perte de production du fluide pendant toute la durée de l'opération, qui peut être longue, et également d'une baisse de productivité du puits due aux dommages inévitables subis par la zone productrice. L'invention décrite dans la demande de brevet principale pallie ces inconvénients en ce qu'elle permet d'isoler la zone productrice en disposant dans le tubage (casing), entre la zone productrice et la pompe, des moyens d'obturation dont la fermeture et l'ouverture sont commandées hydrauliquement depuis la surface. Cette commande hydraulique s'effectue en faisant varier de façon appropriée la différence de pression, au bas de la colonne de production, exercée par le liquide de remplissage de la colonne de production et par le liquide remplissant l'espace annulaire compris entre le tubage et la colonne de production. Ce procédé fonctionne de façon satisfaisante lorsque l'espace annulaire est fermé par un packer double (référence 4 dans la demande de brevet principale) situé à proximité de la zone productrice. Par contre, lorsque ce packer est éloigné de la zone productrice, l'espace annulaire n'est en général, pas complètement rempli de liquide, la partie supérieure de l'espace annulaire pouvant être occupée par du gaz. Cet espace est même parfois mis a profit pour séparer le gaz du liquide, lorsque la roche réservoir produit à la fois du liquide et du gaz. On comprend alors que la solution décrite dans la demande de brevet principale n'est plus applicable. En effet, on ne peut 2 2459358 plus agir directement depuis la surface sur la pression hydrostatique de l'espace annulaire au niveau de la vanne d'obturation. On ne peut pas non plus utiliser une ligne hydraulique de commande (laquelle serait trop longue) s'étendant depuis les moyens de commande de la vanne jusqu'au dessus du packer double, puisque ce dernier est trop éloigné de la vanne. A titre d'exemple, cette distance peut être supérieure à 1000 m. L'invention fournit un procédé et un dispositif permettant de supprimer l'inconvénient énoncé ci-dessus. L'invention permet en particulier d'isoler la zone productrice en disposant dans le tubage, entre la zone productrice et la pompe, des moyens d'obturation dont la fermeture et l'ouverture sont commandés hydrauliquement depuis la surface en agissant uniquement sur la pression hydrostatique du fluide de remplissage de la colonne de production. A cette fin, l'invention propose un dispositif pour isoler une zone souterraine contenant un fluide et communiquant avec la surface du sol par un puits comportant: - un packer destiné à être ancré d'une façon étanche et amovible dans le puits au-dessus de ladite zone, ledit packer ayant un orifice pour le passage du fluide au travers dudit packer, - une vanne fixée audit packer de façon étanche et munie d'un obturateur, ladite vanne pouvant être ouverte ou fermée pour, respectivement, permettre ou interdire l'écoulement du fluide vers la surface par ledit orifice, et des moyens de commande hydraulique de l'ouverture et la fermeture de ladite vanne, connectables de façon amovible à ladite vanne et pouvant être fixés à la partie inférieure d'un train de tiges s'étendant depuis la surface, lesdits moyens de commande hydraulique de ladite vanne étant mis en oeuvre depuis la surface et étant sensibles à la pression exercée par la colonne de liquide remplissant ledit train de tiges. L'invention concerne également un système pour le reconditionnement d'un puits de pétrole du type comprenant une colonne de production, un ensemble de pompage fixé à la partie inférieure de la colonne, un câble électrique d'alimentation pour relier ledit ensemble de pompage à une source d'énergie électrique située en surface, un packer double pouvant être ancré dans le puits et ayant deux passages étanches, l'un pour maintenir ladite colonne de production et l'autre pour laisser passer ledit cable électrique, ledit système de reconditionnement comportant le dispositif d'isolement d'une zone souterraine tel que défini au paragraphe précédent, lesdits moyens de commande hydraulique de la vanne étant fixés sous ledit ensemble de pompage. 3 2459358 L'invention propose aussi un procédé de reconditionnement d'un puits selon lequel la production du fluide s'effectue à travers une colonne de production, caractérisé par les étapes suivantes: - isolement de la zone productrice à l'aide d'un dispositif d'isolement comprenant un packer et une vanne d'isolement munie d'un obturateur pouvant coulisser dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du puits et placé au préalable en position de fermeture, ledit dispositif d'isolement étant placé dans le puits au-dessus de la zone productrice à l'aide d'un outil de pose, fixation, à l'extrémité inférieure de la colonne de production, de moyens de commande hydraulique de la vanne d'isolement, lesdits moyens comprenant deux lignes hydrauliques reliées à deux raccords de la colonne de production, lesdits moyens étant sensibles à la pression hydrostatique régnant dans ladite colonne de production et étant de ce fait manoeuvrables depuis la surface par l'intermédiaire du liquide remplissant ladite colonne de pro- duction., - mise en place de ladite colonne de production dans le puits, lesdits moyens de commande hydraulique venant se solidariser de façon amovible audit obtu- rateur coulissant, et - manoeuvre des moyens de commande hydraulique depuis la surface pour déplacer ledit obturateur en position d'ouverture de la vanne. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné à titre d'exemple explicatif mais non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure lA représente schématiquement les éléments essentiels de la colonne de production munie du dispositif d'isolement de zone conforme à l'invention, ce dispositif étant en position d'ouverture, la colonne de pro- duction et l'espace annulaire étant ouverts à leur extrémité supérieure, et - la figure lB montre uniquement les moyens d'obturation, en position de fermeture, de la colonne de production et de l'espace annulaire à leurs parties supérieures. La colonne de production 150 est placée de façon concentrique dans le tubage 2. L'extrémité inférieure de la colonne de production est située au voisinage et au-dessus de la zone productrice 102. La colonne de production comporte un ensemble de pompage 5 composé principalement d'un moteur électri- que actionnant des aubes. Ce moteur est alimenté en énergie à l'aide d'un câble électrique 6 traversant un packer double 152 situé non loin de la sur- face. 4. 2459358 Ce packer double maintient en place la colonne de production à l'intérieur du tubage. Il est situé en-dessous d'une vanne à bille 154 permettant de fermer la colonne de production depuis la surface. Le dispositif de commande de la vanne 154 commande également le déplacement d'une chemise 156 permettant de mettre en communication l'espace annulaire 158 avec la colonne de production lorsque la vanne à bille 154 est fermée. Cette mise en communication est illustrée sur la figure 1B sur laquelle le passage 160 permet la circulation en circuit fermé du liquide de remplissage de la colonne de production. Ceci permet de ne pas endommager la pompe électrique lorsque la vanne 154 est fermée. L'ensemble vanne-packer double 152 est disponible commercialement et peut être fourni par la société Otis. L'extrémité inférieure de la colonne de production, sous la pompe 5, est connectée aux moyens d'isolement de la zone productrice de la façon indiquée dans la demande de brevet principale.Ces moyens d'isolement comportent un packer simple 12 et une vanne à manchon coulissant Il dont l'obturateur est manoeuvré à l'aide d'un vérin hydraulique 10. Le packer 12 et la vanne Il sont identiques à ceux déjà décrits en détail dans la demande de brevet principale. Le vérin hydraulique comporte un piston 14 relié par une tige 36 au manchon obturateur de la vanne. Ce piston délimite deux chambres 15 et 16 situées de part et d'autre du piston. Les deux chambres 15 et 16 sont reliées, respectivement, par des lignes hydrauliques 17 et 18 à deux endroits distincts de la colonne de production, au-dessus de l'ensemble de pompage 5, à l'aide des raccords respectivement 162 et 164. Ces raccords peuvent être obturables à l'aide de chemises d'obtura- tion placées dans les raccords depuis la surface par la technique de travail au câble. Lorsque les raccords sont obturés, la communication entre le vérin hydraulique et la colonne de production est fermée. Il faut remarquer que ces raccords peuvent être non obturables. Dans ce cas, la communication entre le vérin hydraulique et la colonne de production est fermée à l'aide d'un bouchon que l'on place au-dessus du raccord que l'on veut obturer. Conformément à l'une des caractéristiques de l'invention, le piston 14 est "différentiel", au lieu d'être équilibré comme dans le mode de réalisation décrit dans la demande de brevet principale. Ceci signifie que ses deux faces sur lesquelles agissent le fluide hydraulique ont des sections différentes. On remarque en effet que la tige 36 reliant le piston à la chemise obturant la vanne à manchon coulissant n'a pas d'équivalent sur la face opposée du piston. Il en résulte que le fluide hydraulique agit sur une section du piston dans la chambre 15 qui est plus grande que la section du piston dans la chambrel6. Du fait de cette différence de section, le piston est soumis à une force le poussant vers le bas, ce qui maintient la vanne en position ouverte telle que représentée sur la figure lA (la distance entre les deux raccords de lignes hydrauliques 162 et 164 étant relativement petite, les pressions hydrostatiques des fluides dans les chambres 15 et 16 sont pratiquement identiques). Pour déplacer le piston vers le haut, il suffit tout d'abord de placer un bouchon 166 entre les raccords latéraux 162 et 164, puis d'augmenter la pression du liquide dans la ligne hydraulique 18 et la chambre 16 en pompant depuis la surface du liquide dans la colonne de production. Le piston se déplace alors vers le haut en entraînant le manchon obturateur de la vanne, laquelle se ferme. Le liquide de la chambre 15 est chassé dans l'espace annulaire par la ligne hydraulique 17 et au-travers des orifices 122 de la pompe 5 Selon un mode de réalisation (non représenté) du vérin hydraulique , le piston 14 peut être muni de moyens qui permettent de le rendre soit "différentiel", soit équilibré. La face du piston, dans la chambre 15, comprend alors un trou taraudé dans lequel peut se visser la partie infé- rieure d'une tige, analogue à la tige 36, la partie supérieure coulissant d'une façon étanche dans un trou réalisé dans la paroi supérieure de la chambre 15. Ce trou peut être obturé d'une façon étanche par un bouchon. Du fait de la grande longueur de la colonne de production, laquelle est fixée en deux points par le packer double 152 non loin de la surface et par le packer simple 12 à proximité de la zone de production, l'écoulement du liquide chaud provenant de la zone productrice 102 dans la colonne de production induit une augmentation de la température de la colonne et donc de sa longueur. Cet allongement pourrait provoquer le flambage de la colonne de production ainsi que des dommages sérieux à la pompe 5 en soumettant cette dernière à des forces de compression. Pour pallier cet inconvénient, le mode de réalisation décrit comprend un joint télescopique 168 placé au-dessus des raccords latéraux 162 et 164. Ce joint télescopique 168 est situé non loin de l'ensemble de pompage 5 de façon à diminuer le poids s'exerçant sur la pompe. Un tel type de joint est disponible commercialement. En supposant que le piston, placé en position haute, ne se déplace pas lorsqu'on augmente la pression dans la ligne hydraulique 17, donc dans la chambre 15, (piston bloqué pour une raison ou pour une autre), la force résul- tante s'exerçant sur la partie supérieure de la chambre 15 pourrait avoir pour effet de soulever la partie de la colonne de production comprise entre la chambre 15 et le joint télescopique 168. La vanne ne pourrait alors plus être manoeuvrée et la sécurité du système d'isolement de la zone productrice serait compromise. Afin d'éviter cet inconvénient, des poids, tels que des masse-tiges 6 2459358 , sont intercalés entre la pompe 5 et le vérin hydraulique 10. A titre d'exemple, sept mètres de masse-tiges pèsent une tonne. Outre ces poids, il faut également tenir compte du poids de la partie de la colonne de pro- duction située entre la pompe 5 et le joint télescopique 168. On remarque que la vanne d'isolement est maintenue en position ouverte par la pression hydrostatique du liquide de la colonne de production. Sur la figure 1A, la partie inférieure de l'espace annulaire est remplie de liquide alors que sa partie supérieure est remplie de gaz. L'espace annulaire peut ainsi être utilisé pour séparer le gaz du liquide lorsque la zone productrice 102 produit du gaz et du liquide ou du liquide contenant des gaz dissous. Quant à la colonne de production, elle est remplie de liquide puisque l'ensemble 5 pompe le liquide de l'espace annulaire par les orifices 122 dans la colonne de production vers la surface. On peut remarquer également que le mode de réalisation représenté sur la figure lA fonctionne aussi lorsque l'espace annulaire est complètement rempli de liquide entre les deux packers et 12. Ce mode de réalisation peut donc être utilisé dans tous les cas. En ce qui concerne la pose des moyens d'isolement de la zone produc- trice, c'est-à-dire la pose de la vanne d'isolement 11, du packer 12 et du vérin hydraulique, la procédure est la même que celle décrite en regard des figures 3 de la demande de brevet principale. On peut remarquer que les moyens d'isolement de la zone productrice peuvent être posés indifféremment avec un train de tiges ou avec la colonne de production. La vanne d'isolement Il est descendue en position de fermeture. Pour l'ouvrir, il suffit d'augmenter la pression dans la colonne de production en pompant du liquide dans cette colonne depuis la surface. Le piston 14 descend et la vanne s'ouvre. Après avoir vérifié que la vanne est bien ouverte, l'ensemble de pompage 5 peut alors être mis en marche. Pour retirer la colonne de production, il faut au préalable fermer la vanne d'isolement Il de façon à isoler la zone productrice 102. Pour ce faire, le bouchon 166 est installé sous le raccord latéral 164 par travail au cable. La pression dans la colonne de production est augmentée, ce qui a pour effet d'augmenter la pression dans la ligne hydraulique 18 et donc de déplacer le piston vers le haut. La vanne 11 est alors fermée. La pression dans cette ligne hydraulique 18 est maintenue en installant un manchon obtu- rateur dai4s le raccord latéral 164. Le piston 14 reste alors bloqué en position haute correspondant à la fermeture de la vanne. On vérifie que la vanne est 7 2459358 bien fermée en pompant du liquide dans l'espace annulaire. Puis, on égalise les pressions entre la colonne de production et l'espace annulaire, au-dessus du raccord latéral 164, en ouvrant une vanne à manchon coulissant 172, dite vanne à circulation. La colonne de production peut alors être retirée avec les masse-tiqes 170 et le vérin hydraulique 10. La vanne Il et le packer 12 restent en place de façon à isoler la zone productrice. Selon le procédé qui vient d'être décrit, la vanne d'isolement est avantageusement descendue dans le puits en position de fermeture. Elle pourrait aussi être descendue en position d'ouverture, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. De la même façon, le packer 12 a été décrit et repré- senté fixé sous la vanne d'isolement 11. D'autres configurations sont possibles sans sortir du cadre de la présente invention. 8 2459358 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour isoler une zone souterraine contenant un fluide et communiquant avec la surface du sol par un puits selon l'une des revendications 1, 7 à 13 du brevet principal, caractérisé en ce qu'il comporte - un packer destiné à être ancré d'une façon étanche et amovible dans le puits au-dessus de ladite zone, ledit packer ayant un orifice pour le passage du fluide au travers dudit packer, - une vanne fixée audit packer de façon étanche et munie d'un obturateur, ladite vanne pouvant être ouverte ou fermée pour, respectivement, permettre ou interdire l'écoulement du fluide vers la surface par ledit orifice, et des moyens de commande hydraulique de l'ouverture et la fermeture de ladite vanne, connectables de façon amovible à ladite vanne et pouvant être fixés à la partie inférieure d'un train de tiges, lesdits moyens decoiaVne hydraulique de ladite vanne étant mis en oeuvre depuis la surface et étant sensibles à la pression exercée par la colonne de liquide remplissant ledit train de tiges. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande comprennent un vérin hydraulique ayant un piston déplaçable dans une chambre pour délimiter deux espaces de volume variable et pouvant être relié mécaniquement audit obturateur de vanne et des moyens de mise en communication desdits espaces avec deux endroits distincts dudit train de tiges. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que lesdits moyens de mise en communication comportent deux lignes hydrauliques, chacune reliant l'un desdits espaces de ladite chambre avec l'un desdits endroits dudit train de tiges. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ledit vérin peut être relié de façon amovible audit obturateur par l'intermédiaire de moyens élastiques de verrouillage. 9 2459358 5. Système pour le reconditionnement d'un puits de pétrole du type comprenant une colonne de production, un ensemble de pompage fixé à la partie inférieure de la colonne, un câble électrique d'alimentation pour relier ledit ensemble de pompage à une source d'énergie électrique située en surface, un packer double pouvant être ancré dans le puits et ayant deux passages étanches, l'un pour maintenir ladite colonne de production et l'autre pour laisser passer ledit cable électrique,ledit système de reconditionnement étant caractérisé en ce qu'il comporte ledit dispositif tel que défini à l'une des revendications précédentes, lesdits moyens de commande hydraulique là de la vanne étant fixés sous ledit ensemble de pompage. 6. Système selon les revendications 3 et 5 caractérisé en ce que ladite colonne de production comporte des moyens de raccord étanche de chacune desdites lignes hydrauliques avec l'intérieur de ladite colonne en l'un desdits endroits situés au-dessus dudit ensemble de pompage. 7. Système selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour maintenir la pression hydraulique du fluide dans au moins une desdites lianes hvdrauliaues. 8. Svstème selon l'une des revendications 5, 6 et 7 caractérisé en ce que la- dite colonne de production comporte un joint coulissant au-dessus dudit ; ensemble de pompage. 9: Système selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite colonne com- porte en outre au moins une masse-tige en dessous dudit ensemble de pompage. 10. Procédé de reconditionnement d'un puits selon lequel la production du fluide s'effectue à travers une colonne de production, caractérisé par les étapes suivantes: - isolement de la zone productrice à l'aide d'un dispositif d'isolement comprenant un packer et une vanne d'isolement munie d'un obturateur pouvant coulisser dans une direction sensiblement Parallèle à l'axe du puits et placé au préalable en position de fermeture, ledit dispositif d'isolement étant placé dans le puits au-dessus de la zone productrice à l'aide d'un outil de pose, 2459358 - fixation, à l'extémité inférieure de la colonne de production, de moyens de commande hydraulique de la vanne d'isolement, lesdits moyens comprenant deux lignes hydrauliques reliées à deux raccords de la colonne de production, lesdits moyens étant sensibles à la pression régnant dans ladite colonne de production et étant de ce fait manoeu- vrables depuis la surface par l'intermédiaire du liquide remplissant ladite colonne de production, - mise en place de ladite colonne de production dans le puits, lesdits moyens de commande hydraulique venant se solidariser de façon amovible audit obturateur coulissant, et - manoeuvre des moyens de commande hydraulique depuis la surface pour déplacer ledit obturateur en position d'ouverture de la vanne. 11.Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que, pour retirer ladite colonne de production du puits, on isole ladite zone de production parles opérations suivantes: - pose d'un obturateur dans la colonne de production entre lesdits deux raccords, - fermeture de ladite vanne en ajustant depuis la surface la pression dans la colonne de production, fermeture de la communication des moyens de commande hydraulique avec la colonne de production pour maintenir ladite vanne en position de fermeture, - égalisation des pressions entre la colonne de production et l'espace annulaire, et - remontée de ladite colonne de production et desdits moyens de commande de la vanne, ladite zone restant isolée par ladite vanne d'isolement et ledit packer. 12.Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'après l'étape de fermeture de la communication des moyens de commande hydraulique avec la colonne de production, on vérifie l'étanchéité du dispositif d'isolement de la zone souterraine en augmentant la pression dans l'espace annulaire au-dessus de la vanne d'isolement.