Brevet FR2542803A1 — publié le 19840921

L'invention se rapporte aux puits de tous types qui demande à être protégés contre les entrées de sable mais en particulier aux puits profonds tels que-ceux uti- lisés pour la production de pétrole et/ou de gaz Dans le cas des puits profonds, il est extrêmement coûteux de com- pléter le puits dans la zone de production par les techni- ques classiques de pose de tubage, de cimentage, de perfo- ration des trous au fond du forage, de pose du dispositif de chemise de filtre et, ensuite, de tassement du gravier au moyen d'un outil de traversée L'opération est particu- lièrement coûteuse et peut être dangereuse puisque, habi- tuellement, on utilise des explosifs pour former les perfo- rations En outre, il est de pratique habituelle de ne for- mer qu'environ quatre perforations de 19,05 mm par décimè- tre de longueur du tubage Le nombre relativement petits des trous et leur grande dimension tendent quelquefois à provoquer la formation de vides ou "vacances" dans la gar- niture de gravier d'arrêt du sable installée ultérieurement, parce qu'il existe une vitesse d'écoulement beaucoup plus grande qu'en présence d'un beaucoup plus grand nombre de perforations Le problème des vides dans la garniture de gravier et de la défaillance consécutive qui se produit lorsqu'une matière de formation fine pénètre directement dans le filtre et l'érode, est particulièrement grand lors- que le trou est fortement dévié. On a déjà fabriqué antérieurement des dispositifs de filtres préfabriqués qui comprennent un anneau uniforme, consolidé ou non consolidé de sable ou gravier enduit de résine qui comble l'espace compris entre deux éléments fil- trants concentriques Ils sont typiquement utilisés avec une garniture de gravier extérieure puisque le sable de la formation boucherait leurs fentes S'ils sont utilisés dans un trou profond, ces ensembles ne peuvent pas être facile- ment retirés dans le cas d'une défaillance de la garniture de gravier annulaire intérieure puisque les filtres préfa- briqués sont typiquement faits d'acier inoxydable qu'il se- rait difficile de découper au moyen d'un outil de surforagé. En outre, ils se déchireraient et se coinceraient probable- ment lorsque le fil et les tringles dont ils sont faits se sépareraient. Le gravier ou le sable enduits de résine utilisé dans les dispositifs de filtres préfabriqués est de préfé- rence du type décrit dans un article intitulé "Performance Review of Phénolic-Resin-Gravel Packing" de Lowell W Saun- ders et Howvard L McKinzie, qui est paru dans le numéro de Février 1981 du "JOURNAL OF PETROLEUM TECHNOLOGY", aux pa- ges 221-228 Bien que ce gravier ait été fourni en qualité dé partie d'une garniture pré-durcie entre deux filtres de puits concentriques, il est habituellement utilisé pour remplacer directement des garnitures de gravier ordinaire qui sont formées sur place -Le gravier est fourni en vrac, en sacs et il durcit après la pose du fait des températu- res relativement élevées qui règnent dans le puits Le gra- vier enduit de résine durcie est inerte aux acides mais il est soluble dans les fluides basiques possédant un p H éle- vé Cette dernière propriété permet d'éliminer facilement - la garniture à tout moment Un autre article qui décrit les utilisations de sable enduit de résine non durcie, ainsi que les divers environnements dans lesquels de sable peut être utilisé est l'article no SPE 7004 de A Richard Sin- clair et John W Graham intitulé "An Effective Method of Sand Control" Cet article a été présenté à une assemblée de la Society of Petroleum Engineers de AIME à Lafayette, Louisiane, E U A, les 15 et 16 février 1978. Il est parmi les buts de la présente invention de réaliser un nouveau dispositif de filtre qui permette de compléter un puits sans exiger de tassement-du gravier au fond du trou de sonde Un autre but est de réaliser un dis- positif de filtre de puits qui assure un grand débit total à travers l'ensemble de la garniture de gravier mais un dé- bit beaucoup plus faible dans chaque partie donnée de cette garniture de gravier que dans la technique classique Un au- tre but est encore de fournir une technique permettant de produire une garniture de gravier pour un filtre de puits qui élimine les problèmes de vides et de formation de chemi- nements préférentiels dans les garnitures de gravier produi- tes au fond du forage Un autre but est aussi de réaliser un dispositif préfabriqué composé d'un filtre de puits et d'un élément perforé de tubage ou de tube crépiné qui éli- mine les déficiences des filtres de puits préfabriqués de la technique antérieure. Les buts et avantages cités ci-dessus, ainsi que d'autres, sont obtenus par le dispositif de filtre de puits et tubage préfabriqué de la présente invention Le disposi- tif comprend un tubage extérieur ou partie crépine qui doit être typiquement dimensionné de telle manière que, lorsqu' on a à utiliser ce dispositif, on puisse le mettre en place au fond du puits au moyen d'un dispositif de suspension classique pour colonne de tubage perdue Le dispositif de= suspension est en prise avec la base de la paroi intérieure du segment extrême inférieur du tubage précédemment mis en place et est retenu à proximité de cette base Naturelle- ment, ce segment a un diamètre supérieur à celui de la par- tie du tubage qui est suspendue à sa paroi intérieure La partie extérieure du tubage est perforée à l'extérieur du puits, avant l'assemblage et de préférence par le même type d'appareil de perforation classique que celui utilisé pour percer les réseaux de trous dans la partie de base du tube d'un filtre de puits à base tubulaire Une réalisation ty- pique consiste à faire des trous de 12,7 mm de diamètre in- térieur disposés circonférentiellement à des entre-axes de ,4 mm, les trous des rangées successives étant décalés. De cette façon, un élément de tubage ayant un diamètre ex- térieur de 244 mm peut présenter 87,5 trous de 12,7 mm par décimètre de longueur, par contre seulement 4 trous de 19,5 mm par décimètre de longueur, qui sont habituellement pré- vus lorsqu'un tubage-doit être perforé au fond du forage. Ainsi qu'on l'a déjà exposé précédemment, ceci acbroît con- sidérablement l'uniformité de l'écoulement-à travers le dis- positif et réduit à un minimum le colmatage et la formation de cheminements préférentiels. Un support de base tubulaire pour la cdienmise de fil- tre de puits du dispositif est laissé non perforé à proximi- té de ses extrémités et est perforé dans sa région centrale, dans laquelle la chemise de filtre est placée La chemi-se de filtre devrait normalement être soudée au support de ha- se tubulaire à ses deux extrémités Toutefois, lorsque le dispositif de filtre doit être utilisé dans un environne- ment à haute température, dans lequel les différences de coefficient de dilatation thermique entre une chemise de fil- tre en acier inoxydable et une base tubulaire en acier au carbone risquerait de provoquer un gâuchissement, la che- mise de filtre pourrait être soudée à une seule extrémité. L'autre extrémité de la chemise de filtre pourrait être montée à serrage sur la base tubulaire, comme décrit dans la demande de brevet déposée,aux E U A le 28 Avril 1981 sous le numéro de série 250 360 L'extrémité montée à ser- rage se dilaterait et pourrait glisser sur la base tubulai- re pour détendre les contraintes à des températures élevées. Bien que le support de base tubulaire pour la chemise de filtre ait été décrite sous la forme d'un tube cylindrique, il pourrait également être composé de fers en U soudés, com- me décrit dans le brevet des E O U A no 4 096 911. Lorsque la partie du tubage a été perforée et la chemise de filtre fixée à son support de base de forme gé- nérale cylindrique, on soude une première virolle annulaire en acier facile à percer à une partie terminale non perfo- ré du support de base, le filtre de puits, avec sa virolle annulaire fixée, est ensuite placé à l' intérieur de la par- tie terminale non perforée de l'élément de tubage et on soude la virolle annulaire à la paroi intérieure du tubage de manière à centrer le filtre dans le tubage Le disposi- tif tubage-filtre de puit-s est ensuite positionné vertica- lement et on recouvre sa surface extérieure perforée d'un revêtement de tissu, par exemple d'une toile métallique fij- ne ou d'un manchon Le revêtement peut être fait de N 'im-_ porte quelle matière appropriée qui bouche les extrémités extérieures des perforations pendant qu'on charge le sable ou gravier, ou autre matière poreuse, enduit de résine'et non solidarisé, dans les perforations et qu'on les consoli- de dans ces perforations et dans l'espace annulaire délimi- té par le tubage, le filtre de puits et la première virolle annulaire On peut ensuite placer la deuxième virolle annu- laire d'acier facile à percer au sommet de la matière po- reuse et le souder aux parties supérieures non perforées du tubage et du support de base du filtre de puits Ensui- te, on durcit la totalité du dispositif, y compris le revê- tement, par exemple à la chaleur sèçhe dans un four ou en- core à la vapeur ou à l'eau chaude, par exemple, jusqu'à ce que les particules enduites de résine aient été soudées ensemble en une masse unitaire consolidée A ce stade, on peut enlever le revêtement de tubage, puisque les particu- les ne peuvent plus sortir par les perforations La quanti- té de résine d'enduction déposée sur les particules de sa- ble doit être juste suffisante pour coller les particules adjacentes les unes aux autres sans réduire notablement la porosité de la masse consolidée La dimension des particu- les doit être choisie en rapport avec la largeur des fentes de la chemise de filtre et la dimension des particules con- tenues dans la formation, conformément à la pratique indus- trielle habituelle. En utilisant une matière facile à usiner pour les virolles annulaires, il est possible, à n'importe quel mo- ment après la pose du dispositif de tubage et filtre de re- tirer le dispositif de filtre et de le remplacer indépen- damment du tubage, dans une opération de surforage sans dé- ranger la colonne perdue On peut ensuite monter un nouveau filtre ordinaire et le garnir de gravier de la façon habi- tuelle En outre, si la garniture consolidée présente une déficience quelconque alors que le filtre est resté intact, on peut éliminer la garniture en injectant un fluide à p H élevé, qui dissout alors les liaisons résineuses formées entre les particules On peut ensuite monter une nouvelle garniture de gravier de la façon classique On peut-suppo- ser qu'on n'aura qu'un faible risque d'avoir à exécuter cette opération puisque la garniture liée et consolidée doit éviter la formation de cheminements préférentiels et l'érosion des fentes qui en résulte En outre, la présence d'un grand nombre de perforations dans le tubage donne une bonne résistance au colmatage et se traduit par une distri- bution relativement uniforme de l'écoulement sur toute la région annulaire garnie Ceci constitue un avantage consi- dérable comparativement aux filtres préfabriqués de la technique antérieure, dans lesquels les fentes de très pe- tite largeur du filtre risquent d'être colmatées par les matériaux de la formation Par ailleurs, la résistance mé- canique de la chemise des filtres préfabriqués est normale- ment insuffisante pour remplacer le tubage normal En ou- tre, les filtres préfabriqués exigent un équipement de pose spécialisé qui est couteux et dont la mise en oeuvre deman- de beaucoup de temps, comparativement au dispositif filtre- tubage de la présente invention, qui possède un élément ex- térieur robuste En outre, le risque de détérioration des fentes de filtrage relativement fragiles d'un filtre préfa- briqué pendant l'expédition ou la pose est important. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux au cours de la description qui va suivre, faite en référence à la figure unique annexée représentant une vue en perspective avec arrachement partiel d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple uniquement. Le dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon l'invention est désigné dans son ensemble sur le dessin par la référence 10 et il comprend une longueur de tubage de puits 12 qui peut être typiquement d'environ 0,9 à 13,5 m Les extrémités du tubage sont de préférence munies de filetages 14 qui permettent de réunir la longueur de tubage de ce dispositif à d'autres longueurs de la façon habituelle Avant que le tubage 12 ne soit monté dans le dispositif 10, on le perfore dans la région-intermédiaire délimitée entre les virolles annulaires supérieures et in- férieures 18 et 20 respectivement Etant donné qu'il est beaucoup plus facile de percer des trous dans le tubage 12 lorsqu'il n'est pas enterré que de le perforer pendant qu'il est au fond d'un trou de forage, il est possible de faire sur le tubage un très grand nombre de trous Par exemple, un tubage ayant un diamètre extérieur de 244 mm peut être muni de 87,5 trous 22 par décimètre lorsque les trous sont espa- cés d'entre-axes de 25,4 mm tandis qu'un tubage typique per- foré au fond du trou de forage ne comporterait qu'environ 4 trous de 19, 05 mm par décimètre de longueur En disposant d'un plus grand nombre de trous, il est possible de dispo- ser d'un plus grand débit mais avec un passage relativement uniforme et lent de l'écoulement à travers le lit tassé de gravier 26, qui est positionné dans l'espace annulaire dé- limité entre le tubage 12, les virolles annulaires 18, 20 et la chemise de filtre à fentes 30 La chemise de filtre est de préférence formée de fil métallique 34 qui est enroulé en hélice et soudé sur des tiges de supports de fil- tre 36 de manière à former une fente continue 38 de largeur constante, typiquement de 0,152 mm à 0,305 mm La chemise de filtre 30 possède des parties terminales telles que des bagues 40 qui peuvent être soudées à un élément support de base 42 tubulaire L'élément tubulaire 42 est perforé en 44, à l'intérieur de la chemise de filtre 30 mais il est non perforé à ses extrémités. La technique de fabrication a été décrite plus haut, de même que les techniques de pose dans un puits du dispositif de filtre de puits et tubage préfabriqué Natu- rellement, étant donné que les extrémités des parties 12 formant le tubage sont filetées, on peut assembler plusieurs segments 10 d'un tel dispositif à l'aide de raccords classi- ques (non représentés) Il n'est aucunement nécessaire que les bases de supports cylindriques 42 des dispositifs rac- cordés soient réunies puisque les bases sont fixées au tuba- ge 12 à joint étanche par les anneaux soudés 18, 20 Le dia- mètre et la distribution des trous, pour les trous 22 de l'élément de tubage 12 et pour les trous 44 de l'élément de base 42, sont de préférence choisis de manière à étendre au maximum la section d'écoulement tout en conservant une ré- sistance mécanique de structure suffisante En raison de la différence de diamètre entre le tubage et l'élément de base, le nombre total et la section totales des trous 22 du tubage seront normalement supérieurs au nombre et à la section to- tale des trous 44 de l'élément de base En outre, le diamè- tre des trous 22 doit être de préférence plus grand que ce- lui des trous 44 Par exemple, les trous 22 peuvent avoir un diamètre de 12,7 mm tandis que les trous 44 sont de 9,52 mm. En prévoyant dans le tubage 22 un beaucoup plus grand nom- bre de trous que celui qu'on peut obtenir avec un équipe- ment de perforation travaillant au fond du trou de forage, le risque potentiel de formation de canaux d'écoulement privilégiés dans la garniture de gravier 26 est pratique- ment éliminé En outre, les vides et "vacances" qui sont très communs dans les garnitures de gravier formées en fond de trou de forage peuvent être éliminés lorsque la garnitu- re de gravier enduit de résine est faite dans le dispositif tubage-filtre en usine ou autre emplacement en surface. Dans un tel environnement contrôlé, on peut obtenir une bon- ne consolidation en vibrant le dispositif ou en adoptant éventuellement d'autres techniques de tassement L Mutilisa- tion d'une opération de durcissement en surface, alors que les perforations du tubage sont recouvertes, constitue une garantie contre le risque de déplacement des particules de gravier On peut donc obtenir une garniture plus régulière que celle qu'il serait possible d'obtenir avec un durcisse- ment en fond de trou de forage d'une garniture de gravier mise en place au fond du trou de forage en utilisant un gravier enduit de résine non durcie. Bien qu'on ait remarqué qu'il n'est pas nécessaire que les bases de supports cylindriques 42 des dispositifs raccordés soient réunies entre elles, puisqu'elles sont ré- unies à joint étanche avec le tubage, il se présente des situations dans lesquelles il peut être avantageux de munir chaque extrémité de la base tubulaire 42 d'un filetage Par exemple, lorsque plusieurs segments de dispositifs de fil- tre 10 doivent être mis en place dans un puits et qu'un ou plusieurs des segments intérieurs peuvent avoir è être fer- més ultérieurement, il serait avantageux de prévoir un rac- cord d'alésage étanche ("seal bore sub") à l'extrémité in- férieure d'au moins certains des tubes 42 Les extrémités supérieures des tubes 42 qui se trouveraient au-dessous d'autres tubes munis d'un raccord d'alésage étanche seraient équipés de raccords à portée intérieure classiques Les rac- cords à portée intérieure ont chacun un alésage lisse dans lequel s'engage le raccord d'alésage étanche d'un disposi- tif adjacent Des bagues d'étanchéité prévues sur la surfa- ce externe des raccords d'alésage étanche établissent un raccordement étanche au fluide Lorsqu'il est souhaitable d'interrompre la production en provenance d'un filtre infé- rieur, on peut descendre un bouchon de fermeture au moyen d'un câble à travers les bases tubulaires successives, jus- qu'à ce qu'on ait atteint le raccord à portée intérieure à étancher A ce stade, le bouchon de fermeture est expansé pour s'appliquer à joint étanche sur une gorge interne du raccord à portée intérieure La structure de fermeture fa- cultative mentionnée ci-dessus accroit évidemment le coût de la pose mais elle peut être extrêmement économique dans les formations o il peut se produire qu'un filtre infé- rieur commence à pomper du sable beaucoup plus tôt qu'un filtre supérieur, ou bien o la mise en production d'une couche profonde peut devenir indésirable. REVENDICATIONS 1 Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué adapté pour être descendu dans un puits, caractéri- sé en ce qu'il comprend un élément de tubage extérieur ( 12) comportant des parties de raccordement ( 14) à ses extrémi- tés, une partie intermédiaire perforée de grande longueur et des parties terminales non perforées qui s'étendent à partir de chacune de ses extrémités; une chemise de filtre de puits ( 30) à surface à fentes, montée à l'intérieur de l'élément de tubage ( 12) sur un élément de base ( 42) de forme générale cylindrique, cet élément de base de forme générale cylindrique comprenant une partie intermédiaire s'étendant longitudinalement et perforée, disposée à l'in- térieur de la chemise de filtre de puits ( 30) et des parties terminales non perforées qui s'étendent depuis les extrémités de l'élément de base, qui se trouvent à l'exté- rieur de la chemise de filtre ( 30) de puits, jusqu'à des points situés à l'intérieur de cette chemise de filtre; deux virolles ( 18, 20) métalliques annulaires qui sont fai- tes d'une matière plus tendre que la chemise de filtre ( 30) et sont soudées sur la face externe des-parties terminales de l'élément de base ( 42) et sur la face interne des par- ties terminales de l'élément de tubage ( 12), ces virolles délimitant les extrémités d'une chambre annulaire ( 26) qui se prolonge axialement audelà de chaque extrémité de la chemise de filtre ( 30) de puits; et une garniture consoli- dée de matière poreuse ( 26) logée dans cette chambre annu- laire. 2 Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladi- te matière poreuse comprend une matière particulaire liée. 3 Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladi- te matière particulaire est un gravier ou un sable enduit de résine. 4 Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon la revendication 1, caractérisé en ce que les- dites parties intermédiaires perforées de l'élément de tu- bage ( 12) et de l'élément de base ( 42) présentent des con- figurations de trous de perforation qui sont au moins à peu près de même diamètre et de même écartement. Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon la revendication 1, caractérisé en ce que l Vé- lément de tubage ( 12) présente des perforations en plus grand nombre et de plus grande section totale que l'élément de base ( 42). 6 Dispositif de filtre de puits et tubage préfa- briqué selon la revendication 3, caractérisé en ce que le revêtement de résine du gravier ou du sable enduit de rési- ne utilisé est durci par la chaleur de sorte que les parti- cules individuelles sont liées en une masse consolidée, ce revêtement étant suffisamment mince pour permettre au flui- de de circuler à travers la masse, dans l'espace compris entre les particules.