Brevet FR2514490A1 — publié le 19830415

Pour des puits de faible profondeur de forage, la détection des couches à régler pour l'extraction s'effectue lors du montage de l'installation de filtrage terminé de fabrication en surface et lors de la réali- sation du cuvelage à partir d'argile d'une granulométrie déterminée Dans le cas de puits d'assez grande profon- deur, comme par exemple des puits d'extraction d'hydro- carbures, il n'est généralement pas possible de mettre en place une installation de filtrage Dans de telles conditions, la détection de la couche à régler pour l'extraction s'effectue lors de la perforation du cuvelage cimenté. La fonction de la perforation est d'établir une liaison hydraulique entre les couches perméables traver- sées par le forage et le volume situé à l'intérieur du cuvelage, ou bien la mise en service de la couche, éven- tuellement la possibilité de compression des matières fluides de traitement de couche ou bien de l'eau utilisée pour le refoulement lors de l'extraction secondaire ou tertiaire. Pour la perforation des cuvelages de puits de production d'hydrocarbures, on utilise intensivement des charges explosives creuses La charge explosive creuse constitue le type le plus fréquemment utilisé de charges explosives à action commandée, pour lesquelles l'effet de perforation produisant le trou est produit de telle sorte que l'énergie de l'explosion soit concentrée dans la direction axiale de la cavité à symétrie de révolu- tion, c'est-à-dire de forme conique L'efficacité de transmission d'énergie est augmentée plusieurs fois lors- que la cavité ménagée dans la charge explosive est garnie d'un métal Les charges explosives creuses sont généralement amorcées sur leur axe de révolution à leur extrémité opposée à la cavité, c'est-à-dire qu'elles sont mises à feu d'une manière correspondante; ainsi, le front d'onde de l'explosion est orienté perpendicu- lairement à l'axe et parvient sur la matière de gar- nissage en l'accélérant fortement en direction de l'in- térieur de la cavité. Lors de l'impact de la matière de garnissage sur la paroi de remplissage, il s'établit le long de l'axe une pression de plusieurs milliers de M Pa, qui expulse dans une direction axiale éventuellement une partie de la matière de garnissage avec une plus grande vitesse que la vitesse d'explosion La théorie hydrodynamique établie pour définir mathématiquement ce phénomène traite la matière de garnissage en métal, à cause de la pression élevée, comme un liquide idéal. Les matières de garnissage utilisées pour des charges explosives creuses peuvent être constituées d'a- cier, d'aluminium, de cuivre rouge (J Applied Physics 1948 p 563-582) et en outre de plomb, de nickel, d'argent de magnésium, de cobalt, d'étain, de zinc ou de cadmium (Explosivstoffe 1959, pages 155-167) On connaît égale- ment des matières de garnissage fabriquées à partir de verre contenant du fer, de matériaux céramiques contenant du ferrosilicium et de fonte à forte teneur en graphite (brevet de BRD No 1 139 418). Dans le brevet de RDA No 1 076 543, on décrit l'utilisation d'une matière de garnissage constituée par de petites billes pourvues d'un revêtement d'étain En correspondance au brevet hongrois No 1 462 901, on uti- lise comme matières de garnissage de la poudre de fer, de cuivre ou de titane qui a été frittée et comprimée mais cependant, conformément au brevet hongrois No 1 477 241, on utilise dans ce but du titane ou un mélange d'alumi- nium et d'oxyde de fer. Comme matières de garnissage de charges explosives creuses, on a également utilisé des alliages spéciaux, par exemple l'alliage eutectique d'antimoine, de zinc et de plomb, mélangé à de la poudre d'antimoine et de nickel (brevet des Etats-Unis No 3 113 700). On a également décrit, dans le brevet de la RDA No 1 182 567, des matières de garnissage constituées par un mélange de métaux et de terres rares. L'inconvénient commun de toutes les matières de garnissage utilisées pour les charges explosives creuses consiste en ce que seulement une petite partie de la matière de garnissage est accélérée jusqu'à une vitesse assez grande de 5000 à 10 000 m/s et constitue le jet cumulatif produisant le trou proprement dit. La plus grande partie de la matière de garnissage est plus courte que le jet cumulatif, son diamètre est cependant plus grand et la matière de garnissage constitue une tige métallique en forme de cigare qui suit le jet cumulatif avec une vitesse plus faible d'environ 50 à % Cette partie a une vitesse relativement faible mais, cependant, la tige métallique ayant un grand dia- mètre par rapport au diamètre de trou obture dans de nombreux cas le trou formé par le jet cumulatif dans le cuvelage de puits En conséquence, la perforation des cuvelages cimentés des puits de production d'hydrocarbures n'est pas satisfaisante car ce qu'on appelle des bouchons métalliques se coincent dans les trous. Avec les poudres métalliques fabriquées à partir des matières de garnissage connues, il ne se forme évi- demment aucun bouchon, mais la profondeur du trou perforé est bien plus faible que la profondeur des trous formés par la charge métallique massive Pour cette raison, des charges contenant de telles matières de garnissage n'ont pas été utilisées en pratique. L'invention a pour but de fournir une matière de garnissage pour charges explosives creuses permettant d'effectuer la perforation du cuvelage de puits avec une grande efficacité, c'est-à-dire qu'il se produit un trou de grand diamètre et qu'il ne se forme aucun bouchon métallique dans ce trou. On a trouvé qu'il était possible de résoudre le problème précité en utilisant, pour les charges explosi- ves creuses utilisées pour la perforation des cuvelages de puits de production d'hydrocarbures, comme matière de garnissage permettant d'augmenter l'efficacité, un al- liage contenant du bismuth et/ou un mélange métallique contenant du bismuth et/ou du bismuth élémentaire. L'invention est basée sur le fait que les matiè- res de garnissage à augmentation d'efficacité de types connus ne se comportent pas, malgré la pression élevée, en cours de cumulation, comme un liquide idéal car, lors de la modification de forme, il se produit à l'intérieur de la matière de garnissage des effets brisants et des forces de cisaillement, l'énergie ainsi dépensée diminuant l'énergie de déplacement du jet cumulatif D'autre part, le jet se déplaçant à grande vitesse est désagrégé sur sa trajectoire, sous l'effet du gradient de vitesse s'établissant pendant l'accumulation et le jet cumulatif noncohérent ne peut pas pénétrer ainsi suffisamment dans la partie formant cible. Au cours des expériences effectuées par les inven- teurs, on a constaté que les matières de garnissage,fa- briquées à partir d'alliages contenant du bismuth, et même à partir de bismuth élémentaire, peuvent être formées d'une manière surprenante avec peu de travail, qu'elles accumulent une grande énergie de déplacement et qu'elles se comportent, lors de la génération du jet cumulatif, pratiquement comme un liquide idéal Jusqu'à maintenant, on n'a pas utilisé du bismuth ou un alliage de bismuth dans ce but. La matière de garnissage à augmentation d'effica- cité conforme à l'invention contient de 0,5 à 100 % de bismuth et elle peut avoir, comme cela est connu, une forme à symétrie de révolution, ou bien elle peut avoir d'une façon générale, une forme de simple cône, de double cône ou de tronc de cône, etc. Une forme avantageuse de réalisation de la ma- tière de garnissage à augmentation d'efficacité conforme à l'invention est constituée par des matières de gar- nissage fabriquées à partir d'alliages eutectiques con- tenant du bismuth, qui se composent de 55,5 % de bis- muth et de 44,5 % de plomb (point de fusion 1240 C), ou bien de 58 % de bismuth et de 42 % d'étain (point de fusion 140 'C) ou bien de 48 % de bismuth, de 28,5 % de plomb, de 14,5 % d'étain et de 9 % d'antimoine (point de fusion 2260 C) Les matières de garnissage de forme conique qui sont fabriquées à partir d'alliage eutecti- que et qui contiennent de 48 à 60 % de bismuth ne for- ment généralement dans les trous perforés aucun bouchon, et elles augmentent considérablement la force d'impact de la charge explosive creuse Dans le cas de la matière de garnissage de forme conique comportant un angle au sommet de 60), la même charge explosive creuse est en mesure d'accélérer efficacement la matière de garnissa- ge en quantité supérieure de 50 à 70 % lorsqu'on uti- lise simplement pour la matière du cône, à la place du cuivre connu, l'alliage eutectique à base de bismuth décrit ci-dessus, ou bien lorsqu'on mélange la matière avec de la poudre de cuivre et/ou de la poudre de bronze. Par suite de la réduction de l'énergie absorbée par le flambage de la charge de forme conique et par suite de la cohérence également conservée pour une grande expan- sion du jet, la profondeur de pénétration est supérieure de 20 à 60 % et il ne se forme aucun bouchon métallique massif. Selon un autre mode avantageux de réalisation de la matière de garnissage à augmentation d'efficacité selon l'invention, on utilise des charges de garnissage fabriquées à partir d'alliages de cuivre contenant re- lativement peu de bismuth Ces alliages sont extraordi- nairement cassants, notamment également pour une teneur en bismuth assez faible, par exemple de 0,7 %, et ils sont désagrégés sous forme de poudre sous l'action d'une force dynamique telle qu'un choc produit par une explo- sion En conséquence, il se produit une perforation exempte du bouchon. Selon un autre mode avantageux de réalisation de la matière de garnissage à augmentation d'efficacité conforme à l'invention, on utilise des matières de gar- nissage se composant uniquement de bismuth Il est possible d'obtenir une très grande profondeur de pénétra- tion sans formation de bouchon. On a comparé la matière de garnissage fabriquée à partir de bismuth conformément à la présente invention avec la matière de garnissage connue à base de cuivre. Les charges explosives creuses pourvues de deux sortes de matière de garnissage et par ailleurs identiques - ont fait l'objet d'un tir dans une masse d'aluminium. On a effectué à chaque fois vingt tirs et on a déterminé les valeurs minimales et maximales de la profondeur de pénétration et, en outre, on a effectué la moyenne, en contrôlant s'il se formait éventuellement des bouchons. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau sui- vant. Comparaison de la matière de garnissage contenant du bismuth, et correspondant a un mode de réalisation de l'invention, avec la matière de garnissage connue Matière de garnissage Matière de garnissage contenant du bismuth à base de cuivre Profondeur de pénétration (mm) minimale 165 102 maximale 225 166 moyenne 189 131 Fréquence de formation de bouchons (%) O 55 -J 1 %> ui o c> Le tableau montre que la profondeur minimale de pénétration dans le cas de la matière de garnissage correspondant à l'invention est identique à la profon- deur maximale de pénétration obtenue pour la matière de garnissage connue La profondeur moyenne de pénétration de la matière de garnissage selon l'invention est supérieure de 44 % à celle des matières de garnissage connues. Le tableau montre également qu'il ne se forme aucun bouchon avec la matière de garnissage conforme à l'invention. La matière de garnissage à augmentation d'effi- cacité conforme à l'invention procure différents avan- tages aussi bien techniques qu'économiques. Dans les puits d'extraction d'hydrocarbures, les canaux de pénétration ménagés dans le cuvelage cimenté sont d'une grande profondeur et ils ne comportent aucun bouchon, de sorte que la communication hydraulique entre les couches placées en arrière des canalisations cimen- tées et le volume situé à l'intérieur de la canalisation est améliorée Il en résulte qu'on peut extraire des puits une plus grande quantité d'hydrocarbures. En considérant le fait que la longueur des canaux de pénétration est augmentée en cours de perforation et que les canaux ne contiennent aucun bouchon, il est possible de réduire le nombre spécifique de tirs, c'est-àdire le nombre de tirs rapportés à une longueur unitaire de puits, tout en conservant les mêmes con- ditions d'écoulement. REVENDICATIONS 1 Matière de garnissage à augmentation d'efficacité, principalement pour la perforation de cuvelages de puits d'extraction d'hydrocarbures, carac- térisée en ce que la matière de garnissage se compose d'un alliage contenant du bismuth et/ou d'un mélange métallique contenant du bismuth et/ou de bismuth élémentaire. 2 Matière de garnissage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'alliage contenant du bis- muth a une composition eutectique.