Brevet FR2542804A1 — publié le 19840921

L'invention a pour objet un perforateur pour puits de type pétro- lier, et plus particulierement de cuvelages. Le perforateur est descendu avec un train de tiges qui peut store la colonne de production permanente ou la colonne d'essais de puits.Le perforateur selon l'invention n'obture pas l'extrEmite inférieure dudit train de tiges ou sabot ce qui permet le libre passage jusqu'au fond du puits de tout instrument qu'il pourrait etre nécessaire de descendre ultérieurement La perforation des puits cuvelés et en particulier des puits petro- liers, généralement réalisée au cable électrique a l'aide de charges creuses descendues au droit de la zone à perforer et positionnées en cet endroit avec des moyens appropriés et que l'on peut classer en deux grandes catégories conventionnelles. La premiere catégorie est constituée par des perforateurs qui sont introduits dans le puits sans que la colonne de production ou d'essais et ses accessoires soient en place. Ceci permet d'accéder di- rectement au cuvelage et d'utiliser avantageusement des perforer teurs de gros diamBtreg munis de charges puissantes dont l'effet est de donner de gros orifices de perforation et une grande penétration dans la formation a produire ce qui améliore les caractérustiques de productivité du puits. Les chargea sont normalement contenues dans des canons a parois épaisses qui encaissent bien l'énergie créée au moment de l'explosion sur les cotés et l'carrière des charges creuses.Un autre avantage est de minimiser les défor- mations du cuvelage c'est-a-dire l'étanchéité externe a celui-ci assurée par une chemise de ciment. De plus, le tir peut se faire de façon multidirectionnelle avec une grande densité de charges par unité de longueur du canon. Par contre, pour maintenir le puits en sécurité, c'est-a-dire pour éviter l'éruption de celui-ci due à la pression interne de la couche à produire -ou pression de gisement-, il est nécessaire de remplir le puits avec un liquide de complétion qui peut être de la boue de forage ou tout autre fluide dont la densité est fonction de cette pression de gisement de façon a ce que la pression hydrostatique de cette colonne de liquide de complétion exercée au droit de la couche a perforer soit supérieure à la pression du gisement. Au moment du tir, le liquide de complétion va donc contaminer ou reboucher la formation à produire ce qui nécessite des opérations complémentaires ultérieures telles que nettoyage, acidification, pis tonnage. La deuxième catégorie de perforateurs, descendus a travers la colonne de production, peut être mise à feu alors que le puits est en dépression, c'est-à-dire que la pression dans le puits au regard de la zone productrice est inférieure à le pression des hydrocarbures de cette zone productrice. Ce procédé est possible puisque tous les systèmes de sécurité de la complétion sont en place, ce qui évite les inconvénients cités précédemment. Par contre, ces perforateurs sont de diamètre plus petit ce qui diminue leur performance par rapport aux perforateurs de la premiers catégorie. Ils doivent ere positionnés par des moyens appropriés contre la paroi du cuvelage de façon à optlmiser leur performance propre, ce qui limite leur utilisation à un tir unidirectionnel.Enfin, ils sont souvent cons- titués de charges creuses étanches exposées aux fluides résiduels du puits ce qu2 fait que lors de la mise à feu, le feu, ie cuvelage va de- voir supporter l'énergie émise latéralement et vers l'arrière de la charge creuse ce qui a pour conséquence de provoquer de sérieuses déformations du cuvelage et d'obérer la qualité de sa cimentation externe. Les deux catégories de perforateurs présentent généralement l'inconvénient d'être difficiles e descendre dans des puits fortement déviés. On a donc essayé de réunir les avantages de ces deux catégories de perforateurs, c'est-à-dire de descendre avec la colonne de complétion du puits, qu'elle soit permanente ou provisoire (cas des essais de production), des perforateurs de gros-diamatre qui soient mis à feu en toute sécuritéS puisque cette complétion comporte in trinséquement un tubage de production et ses accessoires et d'éli- miner ainsi l'inconvénient de descendre des perforateurs au cable électrique dans des puits déviés. Un tel type de perforateur est par exemple décrit dans le brevet US n0 3.706.344. Ce système présente l'inconvénient d'entre mis à feu mécaniquement par une barre de charge, appelée go-devil > qu'on laisse tomber dans le puits. Si cette barre se coince en cours de descente, le perforateur ne peut etre mis S feu. Il faut donc remonter la complétion. Ce faisant, il peut arriver que la barre de charge redevienne libre, mettant à feu le perforateur de façon intempestive au droit d'une formation improductive ou que ne ne veut pas produire, ou encore a la surface ce qui présente des aléas inadmissibles pour la sécurité du personnel. Le perforateur décrit dans le brevet US n0 20906.339, notamment le mode de réalisation représenté sur la figure 11, a été étudié pour laisser libre la colonne de production apyres la mise a feu des charges perforantes. Ce dispositif présente cependant lginconvE- nient d'être mis a feu a l'aide d > une barre de charge qu'on laisse tomber dans la colonne de production. Cette barre de charge peut bien entendu être repêchée, mais ceci nécessite une opération sup plémentaire. Dans le système commercialisé par la firme Johnston-Macco Schlumberger de Houston (TEXAS = USA) le perforateur est mis a feu hydraulîquement en augmentant la pression annulaire du puits. Les impératifs de sécurité sont ainsi résolus. Cependant, comme les systèmes décrits dans les brevets US nO 3.706.344 et 2.906.339 précités, ce dispositif présente l'inconvénient d'obturer le sabot de la colonne de production, empêchant ainsi toute descente ultérieure au fond du puits d'instruments qui peuvent être nécessaires pour la continuation de l'opération de production ou d'essai de puits, notamment les instruments de mesure de pression ou de débit au droit du gisement. L'invention fournit des dispositifs ne présentant pas les inconve-nients ci-dessus. En particulier, le sabot de la colonne de production après la mise a feu du perforateur reste totalement libre ce qui permet l'introduction jusqu'au fond du puits de tout instrument qu'il pourrait être nécessaire d'utiliser pour la conduite ultérieure des opérations. De façon plus précise, l'invention concerne un système de perfora tion de puits à l'aide d'un perforateur descendu dans le puits à l'aide de la colonne de production ou d'essais installée dans le puits a l'aide d'une garniture d'étanchéité, ledit perforateur comprenant des charges perforantes reliées entre elles par un cordeau détonant et maintenues sur un support D et des moyens de mise à feu sensibles å la différence de pression relative entre les pressions régnant dans l'espace annulaire situé au-dessus de ladite garniture d'étanchéité, et l'intérieur de ladite colonne de production ou d'essais une partie au moins desdits moyens de mise a feu étant située à l'extérieur de ladite colonne de production ou d'essais. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui suit d'un mode d'exécution de l'invention donné a titre d'exemple explicatif mais non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels la figure 1A représente schématiquement une coupe longitudinale d'une colonne de production ou d'essai comportant un perforateur à commande hydraulique, la figure 1B montrant un mode de réalisa- tion détaillé du système de commande de la mise a feu du perfora peur, la figure 2 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une colonne de production ou d'essai svec les moyens de mise à feu situés à l'eztérieur de ladite colonne et un perforateur re présenté en position non détonée, la figure 3 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une colonne de production ou d'essai avec les moyens de mise à feu situés a l'extérieur de ladite colonne et un perforateur re présenté en position détonée, la figure 4 représente une coupe longitudinale du système de mise à feu du mode de réalisation montré sur les figures 2- et 3, les figures 5A et 5B représentent une coupe longitudinale d'un type de perforateur, la figure 5C montrant la réalisation détail lée de la connexion entre deuz cordeaux détonants et la figure 5D etant une coupe selon AA du mode de réalisation de la figure 5A, et, la figure 6 représente une variante de réalisation de l'inven tion. La figure 1A représente un cuvelage 1 de puits pétrolier contenant une garniture d'étanchéité 2 traversée par la colonne de production ou d'essai 3, elle même constituée de différents sous-ensembles tels que par exemple un appareil de test 31 qui peut être du type à chemise coulissante ou du type à vannes de sEeurite, d'un module enregistreur 32, d'une manchette lisse 33 et d'une crépine 34. La garniture d'étanchéité 2, telle que par exemple le modèle RHB de la Société AVA International a Souston, Texas (USA), est traversée par un canal 21 mettant en cowmunication l'espace annulaire 11 su périeur a la garniture d'étanchéité 2 avec le dispositif de mise a feu 4 situé a l'extrémité du sabot 35 de la colonne de production ou de test. Cet arrangement présente l'avantage sur les systèmes de l'art antérieur de laisser libre l'intérieur de la colonne de production sur une longueur non négligeable A de l'ordre de 5 a 10 metres. En effet, l'obturation de cette colonne ne commence qu'au sabot 35 de ladite colonne. Le perforateur 6 est constitué de façon classique, d'un cylindre creux, étanche aux fluides présents dans le puits et a la pression, dans lequel sont fixées des charges creuses explosives reliées entre elles par un cordeau détonant. L'intérieur du perforateur est à la pression atmosphérique. Le système de mise a feu 4 est monté a l'intérieur de la manchette 5, entre la crépine 34 et le perforateur 6. En se reportant a la figure 1B, qui montre en détail un mode de réalisation du système de mise à feu 4, ce systene est constitué d'un boitier 41 vissé sur un socle 42. Le boitier contient un piston flottant 41a muni d'un joint d'étanchéité 41b et retenu sur le boitier 41 par deux goupil- les de cisaillement 41c. Le socle 42 contient un percuteur 42a verrouillé sur le piston flottant 41a par deux billes 42b. L'étanché- ité du percuteur 42a sur le socle 42 est assurée par 20 un joint torique 42c. Le percuteur est maintenu en position haute par un ressort 42d prenant appui sur le socle a sa partie inférieure et sur une butée 42e à sa partie supérieure. Un détonateur 43 contenu dans le socle 42 est serti à un cordeau détonant 44 relié aux charges creuses du perforateur 6. La mise à feu du perforateur 6 peut s'effectuer de plusieurs fa çons. On peut tout d'abord augmenter la pression P11 existant dans l'annulaire. On peut aussi maintenir constante la pression P11 et diminuer avec des moyens adéquats la pression P3 existant dans la colonne de test, c'est-a-dire également la pression P12 existant dans l'espace annulaire inférieur a la garniture d'étanchéité, puisque la crépine 34 met en communication les deux espaces. On peut également augmenter P11 et diminuer P3 simultanément. Lorsque la différence entre ces pressions P11 et P3 atteint une certaine saleur, la goupille de cisaillement 41c est brisée. Le piston flottant se déplace vers le bas libérant les billes de verrouillage 42b et le percuteur 42a qui vient frapper le détonateur 43. Les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation de l'inven tion selon lequel3 âpres mise a feu du perforateur, l'intérieur de la colonne de production ou de test est entièrement libre, ce qui permet le passage d'outils et d'instruments qui pourraient être nE- pessaires pour la conduite ultérieure des opérations. Comme pour le mode de réelisatioù de la figure 1AD la colonne de production ou de test 3 comporte un appareil de test 31 (dans le cas d'une colonne de test), un module enregistreur (également dans le cas d'une colonne de test) une manchette lisse 33 et une crépine 34. Une gar niture d1étanchéité 2 maintient la colonne de production au centre du cuvelage 1 et assure l'étanchéité entre les parties annulaires aval 11 et amont 12. Cette garniture 2, tel que par exemple le mo dèle BHB de la Société AVA International, est percé d'un canal hydraulique 21a. Une ligne hydraulique 21 relie ce canal 21a au système de mise à feu 4a dont le mode de réalisation préféré est représenté sur la figure . Ce systeme de mise à feu est fixé sur la partie latérale extérieure de la manchette 5, dont la partie interne est vide. Cette disposition laisse entièrement libre le passage à travers la colonne de production ou d'essai vers le perforateur 6a vissé à la partie inférieure de la manchette 5.Le perforateur 6a se compose d'un cylindre creux dont la partie inférieure 82 est laissée libre. On remarque qu'ainsi la partie inférieure du perforateur est a la pression du puits. Des charges creuses 51 sont vissées sur la paroi interne du cylindre, sur plu- sieurs génératrices (par exemple à 900 l'une par rapport à l'autre) et sont reliées entre elles par un cordeau détonant 53 dont la partie supérieure est reliée au systeme de mise a feu 4e. La figure 3 montre la même installation que la figure 2, mais le perforateur a été mis a feu > laissent le libre passage a travers la colonne de production ou d'essai. Il ne reste plus qu'un cylindre creux percé aux endroits 84 od se trouvent fixées les charges creuses, en regard des perforations 86 réalisées dans la zone que l'on voulait perforer. La figure 4 représente une coupe longitudinale du système de mise a feu 4a du perforateur. Ce système de mise a feu est constitué par un boîtier constitué de trois parties distinctes assemblées ensemble par filetages.-Le boîtier supérieur 41 est vissé sur le boî- tier intermédiaire 42, lui-mAme vissé sur le bouchon inférieur 43. Le boîtier supérieur est en communication avec la ligne hydraulique 21 à laquelle il est connecté par un raccord étanche 21a. Le boî- tier supérieur contient un piston flottant 44 muni d'un joint torique d'étanchéité 44a et assujetti au boîtier supérieur par une goupille de cisaillement 44b. La chambre supérieure 41a est ainsi soumise a la pression P11 régnant dans l'espace annulaire supérieur à la garniture d'étanchéité. Le boitier supérieur est également perce d'orifices 41b mettant la chambre 44c située à la partie inférieure du piston flottant 44, a la pression P3 régnant dans l'espace annulaire inférieur à la garniture d'étanchéité. Cette pression P3 est également la pression régnant à l'intérieur de la colonne de production ou de test9 du fait de la crépine 34. Le boitier intermédiaire 42 contient un percuteur 45. Le percuteur 45 est pourvu à sa partie supérieure d'une gorge 45e dans laquelle viennent se loger des billes 45b maintenues en place dans des orifices 42a aménagés dans le boîtier intermédiaire 42, par une partie épaulée 44d du piston flottant 44. L'étanchéité du percuteur sur le boitier intermédaire 42 est assu rée par un joint torique 42b. Le percuteur est également maintenu en position haute par une butée mobile de centrage 46 et un ressort 47. Cette butée mobile de centrage est chanfreinée en 46a et le chanfrein vient s'appuyer sur un chanfrein 45c pratiqué sur le percuteur 45. Le ressort 47 vient s'appuyer sur la face supérieure du bouchon inférieur 43. Le bouchon inférieur 43 est vissé sur le boitier intermédiaire, la 35 jonction se faisant de façon étanche par deux joints d'etanchei- té 43a. La chambre inférieure 42c du boitier intermédiaire 42 reste ainsi à la pression atmosphérique Patm. Le bouchon inférieur 43 contient une amorce 48 en contact avec un détonateur 49 serti au cordeau détonant 49e. L'étanchéité du cordeau détonant sur le bouchon inférieur est assurée par une manchette plastique 43b. On remarque que le piston flottant 44 est soumis à des forces résultant de la différence de pression existant dans la partie de l'annulaire supérieure a la garniture d'étanchéité et de pression existant a l'intérieur de la colonne de production ou de test. Cette différence de pression s'écrit 1P11 - P3 | . Pour effectuer la mise a feu, il suffit donc d'augmenter cette différence de pression soit en augmentant P11 ou en diminuant P3, soit en augmentant P11 et en diminuent P3 simultanément. Lorsque cette augmentation de pression a atteint une certaine valeur, la goupille de cisaillement se casse et le piston flottant 44 est projeté vers le bas.Ce fai sant, la partie épaulée 44d du piston flottant s'efface devant les billes 45b qui sont de ce fait libérées et viennent se positionner dans la chambre inférieure 44c. Le percuteur, libéré, soumis à la pression P3 (diminuée de le pression atmosphérique régnant dans la chambre 42c et de la pression nécessaire pour vaincre la force du ressort 47) est projeté contre l'amorce 48 mettant ainsi le perforateur à feu. Après la mise à feu, la pression P3 s'établit dans la chambre 42c par le conduit précédemment occupé par le détonateur 49 et le cordeau détonant 49a, ledit conduit se trouvant libéré du fait de l'explosion. Le percuteur n'étant plus soumis à -une différence de pression remonte dans sa position primitive sous l'action du ressort 47. En cas de long feu, des que l'égalisation des pressions P11 et P3 est effectué, par exemple en désancrant la garniture d'étanchéité > le percuteur remonte sous l'action du ressort 47. Ceci permet d'assurer la sécurité de la sonde et de son personnel en évitant toute mise à feu ultérieure intempestive. Les figures 5A et 5B représentent le perforateur 6 en coupe longi tudinale, l'extrémité inférieure du dispositif de la figure 5A venant se visser sur l'extrémité supérieure du dispositif de la figure 5B. La figure 5A représente la manchette 5 munie d'un évidement sur sa paroi extérieure, dans lequel est fixé le système de mise à feu 4a. Le perforateur est attaché a l'extrémité inférieure de la manchette 5 par l'intermédiaire d'un adapteur 61 fileté à sa partie supérieure 61a et venant se visser sur la partie inférieure 51a de la manchette 5. L'adapteur 61 est percé d'un orifice 61b permettant le passage du cordeau détonant 49a venant du système de mise à feu de la figure 4 après que le montage de l'adapteur 61 sur la manchette 5 ait été effectué. La fixation du corps de perforateur 62 sur l'adapter 61 est réali- sée à l'aide de vis à têtes hexagonales creuses 63. Le corps du perforateur 62 est une piece tubulaire comportant des orifices 62a permettant le passage et le positionnement des charges creuses 64 qui viennent se visser elles-mêmes sur des trous taraudés 62b pratiqués sur le corps de perforateur. Le cordeau détonant est ensuite enfilé dans un passage approprié 64a préparé à l'ar rière des charges creuses 64. Dans le cas,oa une longueur de perforateur ne serait pas suffisante pour réaliser la perforation du cuvelage, il est possible d'attacher d'autres perforateurs 7, 8 et ainsi de suite, au bas du perforateur 6 par le même système de vis a tête hexagonale creuse 63 déjà utilisé pour assurer la connexion entre le perforateur supérieur et l'adapteur 61. La partie supérieure du perforateur 7 comporte un évidement 71 dans lequel vient se loger la connexion balistique entre la partie 49a du cordeau détonant du perforateur supérieur et la partie 49b du cordeau détonant du perforateur inférieur. Cette connexion balistique peut être assurée de la façon représentée sur la figure annexe 5c par deux détonateurs 49 en contact l'un avec l'autre et sertis sur les parties respectives 49a et 49b du cordeau détonant.Les détonateurs 49 sont insérés dans un support 49c. L'étanchéité est assurée par deux manchettes plastiques 43b. La partie inférieure du dernier perforateur peut être usinée en arrondi 88. On remarque qu' eprs la mise à feu, le passage à travers les perforateurs est totalement libre puisque cordeau détonant et charges creuses ont été pulvérisés. La figure 6 représente un autre mode de réalisation dans lequel le cuvelage 1 de puits contient une garniture d'étanchéité 2 traversée par la colonne de production ou d'essai 3, constituée par exemple d'un appareil de test 31 qui peut être du type à vannes de sécurité ou à chemise coulissante, d'un module enregistreur 32, d'une manchette lisse 33. Le système de mise à feu 4 est placé dans l'espace annulaire 11 à l'extérieur de la colonne de production ou de test et au-dessus de la garniture d'étanchéité sur une manchette 5. I1 est en communication directe d'une part avec l'espace annulaire 11 par le conduit 4b et d'autre part avec l'intérieur de la colonne de production ou de test par le conduit 4c. Cet arrangement présente l'avantage de ne pas nécessiter de crépine pour assurer la liaison hydraulique entre l'intérieur de ladite colonne et l'espace annulaire. Un autre avantage est d'utiliser une garniture d'étanchéité 2 qui ne comporte pas de passage hydraulique, tel que 21a dans le cas de la figure 2. Le cordeau détonant 49a pénetre a l'intérieur de ladite colonne par un passage étanche approprié 4d et relie le système de mise à feu 4 avec le perforateur 9 vissé sur le sabot 35 de la colonne de production ou d'essai. Comme dans les réalisations précédentes, la mise à feu s'effectue en augmentant la valeur absolue de la différence des pressions existant dans ladite colonne et l'espace annulaire. Il va sans dire que la présente invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation qui ont été décrits à tire d'exemples. En particulier, le système de perforation décrit peut être utilisé seul, en combinaison avec une colonne de production, mais sans le système d'essais des puits 31 et 32. REVENDICATIONS I. Système de perforation de puits comprenant un perforateur (6) descendu dans le puits à l'aide de la colonne de production ou d'essais (3) installée dans le puits à l'aide d'une garniture d'étanchéité (2), ledit perforateur comprenant des charges per forantes (51) reliées entre elles par un cordeau détonant (53) et maintenues sur un support (6-7), et des moyens de mise à feu (21, 4) desdites charges perforantes sensibles à la différence de pression relative régnant dans l'espace annulaire situé au dessus de ladite garniture d'étanchéité (2) et entre le tubage (1) du puits et la colonne de production ou d'essais (3), d'une part, et l'intérieur de ladite colonne de production ou d'essais d'autre part, caractérisé en ce qu'une partie au moins desdits moyens de mise à feu est située à l'extérieur de ladite colonne de production ou d'essais. 2. Système de perforation selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de mise à feu comprennent un système de mise à feu (4) logé dans ledit espace annulaire (11) au-dessus de ladite garniture d'étanchéité (2), ledit système de mise à feu communicant hydrauliquement d'une part (4b) avec ledit espa ce annulaire au-dessus de ladite garniture d'étanchéité et d'autre part (4c) avec l'intérieur de ladite colonne de produc tion ou d'essais. 3. Système de perforation selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un cordeau détonant (49a) relie ledit système de mise à feu (4) au perforateur (9) en passent au regard de ladite gar niture d'étanchéité par l'intérieur de ladite colonne de produc tion ou d'essais. 4. Système de perforation selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de mise a feu comportent un système de mi se à feu (4a) et des moyens de communication hydraulique (21), lesdits moyens de mise à feu tant situés en-dessous de ladite garniture d'étanchéité (2), et en ce que ladite garniture com porte un passage hydraulique (21a) entre les parties de l'espace annulaire situées au-dessus (11) et en-dessous (12) de ladite garniture, ledit passage (21a) étant relié auxdits moyens de communication hydraulique (21) de façon à mettre en communica tion hydraulique l'espace annulaire situé au-dessus (11) de la dite garniture d'étanchéité avec ledit système de mise à feu (4a). 5. Système de perforation selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit système de mise à feu (4a) est logé latéralement à l'extérieur de ladite colonne de production ou d'essais (3) dans ladite partie (12) de l'espace annulaire située en-dessous de ladite garniture d'étanchéité (2). 6. Système de perforation selon l'une des revendications précéden tes caractérisé en ce que ledit support des charges perforantes comprend un cylindre creux (6-7) ouvert à son extrémité infé rieure (88) et des moyens de fixation (62b) des charges perfo rantes (64) sur la paroi interne dudit cylindre. 7. Système de perforation selon la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation comportent des trous taraudés (62b) dans lesquels peuvent être vissées lesdites charges perfo rantes. 8. Système de perforation selon l'une des revendications précéden tes caractérisé en ce que lesdites charges perforantes (64) sont des charges creuses qui se pulvérisent apyres explosion. 9. Système de perforation selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il comporte une crépine (34) placée dans la colonnE de production ou d'essais, en-dessous de ladite garniture d'étan chéité de sorte que lesdits moyens de mise a feu sont sensibles à la différence de pression relative régnant au-dessus (11) et en-dessous (12) de ladite garniture d'étanchéité (2).