Brevet FR2559855A1 — publié le 19850823

La présente invention concerne les opérations de cimentation de puits, en particulier des puits de forage pétroliers. On sait que les laitiers de ciment sont préparés à l'extérieur du puits, sont injectés dans le tubage, et remontent en général dans l'espace annulaire situé entre le trou foré et le tubage, o on laisse la prise du ciment se produire. On ne reviendra pas ici en détail sur les nombreux problèmes que pose cette technique, mais on soulignera néanmoins les principales propriétés qui doivent être présentées par un laitier de ciment pour être utilisables dans ce domaine. Ces propriétés peuvent être classées selon deux points principaux, la rhéologie et le temps de prise. Les caractéristiques de rhéologie sont essentiellement la viscosité plastique et le seuil de cisaillement. Dans le temps de prise, on classe le temps d'épais- sissement et le temps de prise proprement dit. La caractéristique dite d"'eau libre" est également une caractéristique bien connue. Ces différentes propriétés sont mesurées par les professionnels selon des normes également bien connues, qui sont les normes API. Ces normes décrivent des techniques de mélange de laboratoire qui permettent d'anticiper les propriétés du laitier. Cependant, l'un des problèmes principaux rencontré lors du mélange, non plus en laboratoire, mais sur le site, réside dans la quasi- impossibilité de reproduire les propriétés visées et obtenues en laboratoire. Ceci est dû principalement à l'impossibilité d'extra- poler les résultats obtenus avec les mélangeurs de laboratoire de petites dimensions. La présente invention a pour but: 1) d'améliorer les caractéristiques essentielles ci-dessus des laitiers de ciment, 2) d'optimiser dans ces laitiers l'action des additifs chimiques classiques et 3) de permettre pour la première fois une bonne reproductibilité des caractéristiques. On notera que le procédé selon l'invention est quasiment instantané, faute de quoi la reproductibilité ne pourrait pas être atteinte. Les équipements classiques de mélange comprennent de manière générale un mélangeur dans lequel on met en contact l'eau et le ciment sec, puis une ou plusieurs cuves de réception du laitier, reliées entre elles, puis une ou plusieurs pompes centri- fuges pour recirculer le laitier et alimenter des pompes haute pression. Par un calcul simple, on peut estimer l'énergie appliquée au laitier ainsi préparée à une valeur comprise entre 0,5 et 2 kJ/kg (kilojoule/kilogramme) dans le meilleur des cas. Dans l'art antérieur, en ce qui concerne la quantité d'énergie appliquée, on est essentiellement limité par les phéno- mènes d'usure du matériel et de mise en oeuvre proprement dite de la technique. Une originalité essentielle de la présente invention réside dans le fait que l'on appliquera au laitier déjà préparé une énergie de très loin supérieure à celle actuellement appliquée dans les procédés connus. Selon la présente invention, on appliquera une quan- tité d'énergie par unité de masse du laitier préparé comprise entre 4,8 et 6,3 kJ/kg. De préférence, la quantité d'énergie appliquée par unité de masse du laitier sera comprise entre 5 et 6 kJ/kg, et de manière tout à fait préférée sera proche de 5,5 kJ/kg. On a montré selon l'invention qu'il est également essentiel pour obtenir les résultats visés d'appliquer cette énergie par introduction d'une perte de charge de caractéristiques définies sur le circuit de laitier à la sortie d'une des (ou de la) pompes haute pression. On peut obtenir de telles pertes de charge par inser- tion en ligne, à la sortie d'une pompe haute pression, de dispositifs disposés en série et/ou en parallèle et pouvant être commandés de manière à créer une perte de charge totale sensiblement constante en fonction du débit. On réalisera de préférence l'introduction de cette perte de charge par une restriction de la section du conduit o circule le laitier. Lorsque l'on utilise une telle restriction pour créer une perte de charge, les principaux inconvénients du systèmeévien- nent tout d'abord de la dépendance étroite entre les paramètres suivants: - débit (Q) - perte de charge (P) - section du conduit au niveau-de la restriction (A) - densité du fluide (e) - coefficient caractérisant la géométrie de la restriction (K). Cette dépendance est exprimée par la formule suivante: P (Cx q2 2 2 P = (Mx Q2)/(2K2 x A2)- Ainsi, pour une restriction donnée, la pression augmente avec le carré du débit. Ceci est tout à fait incompatible avec l'utilisation sur le terrain, o il est absolument impossible d'imposer un débit constant. Il est donc impossible, actuellement, d'assurer l'obtention d'une perte de charge constante puisqu'il est impossible de ne pas laisser varier le débit. Il est bien clair par ailleurs que, s'il est impossible de contrôler la perte de charge, il sera impossible de contrôler les caractéristiques du laitier. L'une des originalités de l'invention réside également dans un dispositif qui permet d'introduire dans le circuit de laitier, à la sortie d'une pompe haute pression, une perte de charge sensiblement indépendante du débit. Une autre originalité de l'invention réside dans la détermination d'une géométrie préférée pour ce dispositif, et le choix d'un matériau, ces deux caractéristiques coopérant pour éviter une usure rédhibitoire dudit dispositif. On sait également que le risque de colmatage, avec celui de l'usure, apparaît automatiquement lorsque l'on introduit une restriction de section dans un conduit de fluide chargé de particules solides. L'appareillage selon l'invention permet d'éviter cet inconvénient. La présente invention propose donc un procédé de traitement de laitier pour en améliorer les caractéristiques néces- saires à une bonne cimentation, et ce par introduction d'une perte de charge de caractéristiques déterminées à la sortie d'une pompe haute pression, et un dispositif permettant de mettre en oeuvre de manière particulièrement préférée ce procédé, une variante avan- tageuse correspondant à l'utilisation d'une géométrie particulière de la partie essentielle de ce dispositif et d'un matériau anti- usure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, et en se référant au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente une vue en coupe du dispositif selon la présente invention; - la figure 2 représente une vue en coupe du plongeur incorporé à ce dispositif, selon une variante de l'invention; - la figure 3 annexée représente une vue en coupe du plongeur incorporé au dispositif selon l'invention, selon une autre variante de l'invention; - la figure 4 représente le plongeur et le siège incorporés au dispositif, selon une variante particulièrement pré- férée de l'invention (géométrie spéciale des canes); et - la figure 5 représente une vue en coupe d'un dis- positif selon l'invention, selon une variante supplémentaire. Sur les figures 1 à 5 annexées, les mêmes références ont les mêmes significations, qui sont les suivantes: 1. corps 2. plongeur 3. siège 4. poinçon 4 bis. section du poinçon (variante) 4 ter. section du poinçon (autre variante) 5. espace annulaire de passage du laitier 6. orifice d'entrée du laitier 7. orifice de sortie du laitier 8. chambre (d'équilibrage) 9. paroi annulaire 10. chambre interne 11. joint d'étanchéité 12. joint d'étanchéitd 13. joint d'étanchéité 14. siège 16. cône actif 17. bras 18. manchette de protection P. pression constante et ajustable appliquée dans la chambre 8 s, s'. surfaces respectivement d'entrée et de sortie. r. rayon de courbure ap. angle au sommet du poinçon as. angle au sommet du siège Les figures annexées ne sont pas obligatoirement à l'échelle. La figure 1 annexée représente schématiquement une coupe axiale d'un dispositif selon la présente invention. Le laitier pénètre dans le corps 1 par l'orifice d'entrée 6, traverse l'espace annulaire 5 destiné au passage du laitier et formé entre le siège 3 et le poinçon 4 lui-même solidaire du plongeur 2. Le fluide sort par l'orifice de sortie 7. La force créée par la perte de charge au niveau de la restriction, et s'exerçant sur le poinçon 4, est transmise au plongeur 2 qui en est solidaire. Ce plongeur est mobile dans le corps 1, par coulissement selon l'axe longitudinal du dis- positif. Sous l'effet de ladite force, le plongeur est repoussé vers l'orifice de sortie 7, et ce mouvement est stoppé lorsque ladite force est exactement équilibrée par la force née d'une pres- sion constante P que l'on applique dans la chambre 8, force qui s'exerce sur la paroi annulaire 9 du plongeur. La chambre 10 est reliée par exemple à la pression atmosphérique. La chambre 8 est isolée du laitier par le joint 11, les deux chambres 8 et 10 sont isolées l'une de l'autre par le joint 12, et la chambre 10 est isolée du laitier par le joint 13. Ces joints ont naturellement les caractéristiques adaptées à leur fOnction. La manière préférée d'appliquer une pression cons- tante au niveau de la chambre 8 sera d'utiliser un système hydrau- lique, pneumatique ou hydropneumatique. De tels systèmes sont connus et il n'est pas utile de les décrire ici. Il semble possible d'utiliser un système différent, du type à ressort, soit seul, soit en combinaison avec un autre système. Cependant, le système à ressort présente l'inconvénient majeur d'allonger de manière très sensible le dispositif. La fonction de l'appareil selon l'invention est donc de contrôler la différence de pression entre l'entrée et la sortie. Les figures 2 et 3 annexées représentent en section droite le poinçon selon deux variantes possibles, selon la coupe AA de la figure 1. On voit que le passage libre désigné ci-dessus par "espace annulaire" peut ep fait être constitué par un ensemble d'orifices cylindriques disposés à la périphérie de la section droite (figure 2), ou par la réunion de deux (ou plusieurs) ori- fices du type de ceux représentés sur la figure 3. La figure 5 annexée représente une vue schématique en coupe selon l'axe, selon une autre variante d'un dispositif selon l'invention. Le poinçon 4 est solidaire selon cette variante du corps 1 au voisinage de l'orifice d'entrée 6. Le siège 3 est solidaire du plongeur 2. La pression à l'entrée agit sur la sur- face s. L'équilibre est obtenu par la force s'exerçant sur la surface de sortie s' et la force résultant de la pression engendrée dans la chambre interne (8). Comme indiqué ci-dessus, on place le dispositif selon l'invention à la sortie d'au moins une des pompes haute pression. Bien entendu, d'autres variantes pourront être envi- sagées par l'homme de métiîr. On a montré selon la présente invention que, pour résister à l'usure intense causée par les particules en suspension dans le laitier, la géométrie du poinçon devait être au niveau du cane actif un cone dont l'angle au sommet devait être égal à l'angle au sommet du cone du siège multiplié par un coefficient compris entre 1 et 2. Cette géométrie préférée sera définie à l'aide de la figure 4 annexée o sont représentés l'angle au sommet du poin- çon (ap) et l'angle au sommet du siège (as). La figure 4 annexée représente une vue détaillée d'une variante d'un poinçon (et du siège correspondant représenté pour plus de clarté en position écartée. La relation poinçon/siège est celle représentée sur la figure 1 annexée) d'un dispositif selon l'invention. Cette variante correspond à une géométrie pré- férée qui sera décrite ci-dessous. L'angle de cône du siège est de 10 et l'angle de cane de la partie active du poinçon 16 est de 20 , selon cette variante tout à fait préférée. Comme on le verra ci-dessous, il sera particulièrement avantageux d'utiliser un carbure de titane comme matériau constitutif du poinçon et du siège correspondant à la figure 4, ou du moins de recouvrir ce poinçon et ce siège par ledit matériau. Ainsi que cela est représenté sur la figure 4, le cône du poinçon sera de préférence interrompu et se terminera par une géométrie sensiblement sphérique de grand rayon de courbre r. On parvient ainsi à éviter, ou tout au moins à rendre compatibles avec l'utilisation industrielle, les phénomènes de cavitation qui apparaissent de manière connue autour d'une telle géométrie. Le dispositif représenté sur les figures 1 à 5 annexées permet également d'éviter le colmatage de l'espace annulaire sans augmentation de la perte de charge. Les positions respectives du siège et du poinçon peuvent être inversées, de manière représentée sur la figure 5 annexée. Dans le cas, la perte de charge agit sur le siège qui est solidaire selon cette variante du plongeur. Le siège est alors soumis à une force contraire née de la pression contrôlée existant dans la chambre 8. Comme indiqué ci-dessus, en liaison avec la figure 1 annexée, l'équilibre qui s'établit permet de contrôler la perte de charge. Les angles décrits ci-dessus pour les cônes res- pectifs délimitant les sièges et le poinçon sont alors également inversés, ce qui a pour conséquence que le poinçon présente un angle au sommet au plus égal à l'angle au sommet du siège. L'appareillage de la présente invention peut égale- ment être utilisé comme vanne de sécurité contrôlable et réglable, sous réserve de modifications mineures. Pour parvenir à une telle utilisation, il est seulement nécessaire de modifier la course du plongeur afin de pouvoir obtenir un assemblage étanche entre le corps et le plongeur. La surface offerte à l'action de la pression àl'entrée multipliée par lapression d'ouverture doit être égale au produit de la surface de la chambre par la pression maintenue constante et régnant dans ladite chambre (8) comme décrit ci-dessus. Dans ce cas, le domaine de pression dans lequel le fonctionnement de l'ap- pareil peut être ajusté est beaucoup plus important que si l'on utilise des ressorts comme dans de nombreuses vannes de sécurité existant actuellement, et cela dépend seulement du domaine dans lequel on peut contrôler la pression constante régnant dans la chambre 8. De plus, il est possible de faire varier à tout moment, lorsque l'on utilise ledit dispositif, la pression de contrôle et donc la pression de sécurité sans arrêter le pompage. Dans les deux applications différentes décrites en détail ci-dessus, le siège et le poinçon doivent consister en matériaux durs, ou au moins être revêtus de manière suffisante par de tels matériaux durs, comme par exemple carbure de titane, carbure de tungstène ou céramique, afin de résister à l'usure industrielle, en particulier lorsque l'on effectue le pompage de fluides abrasifs et notamment de laitier de ciment dans le domaine pétrolier. Selon la présente invention, on utilisera de préfé- rence un alliage de carbure de titane, et de manière tout à fait préférée on combinera l'emploi de cet alliage avec une géométrie telle que celle décrite à la figure 4 annexée. L'alliage au carbure de titane pourra être également utilisé pour réaliser les manchettes de protection prévues dans le dispositif représenté sur la figure 5 annexée. On utilisera de préférence un alliage THYSSEN à 40 % de carbure de titane. Les exemples suivants illustrent l'invention sans toutefois en limiter la portée. Exemple Cet exemple concerne la mise en oeuvre du dispositif représenté sur la figure 1 annexée. Le cylindre du corps présente un diamètre de 200 mm, est long de 500 mm, et présente des conduits d'entrée et de sortie de 46 mm de diamètre intérieur. On obtient les caractéristiques et paramètres suivants: - pression de travail de 700 bars avec des fluides abrasifs tels que les laitiers de ciment et les boues barytées - perte de charge de O à 200 bars - pression hydraulique de contrôle dans la chambre 8 de O à 100 bars - débit nominal de 1300 1/min - variation de perte de charge de moins de 20 % pour une variation de débit de 200 à 1500 1/min, la pression dans la chambre 8 étant maintenue constante selon la présente invention. Cet exemple montre que l'on parvient à maintenir sensiblement constante la perte de charge introduite à la sortie d'une pompe haute pression, malgré une très forte variation du débit, et que l'on parvient ainsi à appliquer une énergie supplé- mentaire importante au fluide traité. Propriétés obtenues: On a préparé les laitiers de ciment tels que décrits dans le tableau ci-après. Certaines propriétés essentielles (cf. tableau) ont été mesurées: -en laboratoire après mélange selon les normes API; - dans les conditions réelles sur le terrain après mélange classique; - dans les conditions réelles, sur le terrain, après mélange faisant intervenir l'introduction selon l'invention d'une perte de charge augmentant l'énergie totale fournie au laitier jusqu'à la valeur de 5,5 kJ/kg de laitier. Le tableau ci-joint montre clairement que le procédé selon l'invention permet de reproduire beaucoup plus fidèlement les prévisions obtenues en laboratoire. TABLEAU Type de laitier Conditions de mélange Sur le En terrain Classe Charactéristiques Sur labora- avec in- du Additif ensité mesurées sertion du le toire, DS 80 3 3 de la ciment 103kg/m3 terrain normes perte de AI perte de (1) (2) charge selon 1-' inven- tion A 0,011 1,87 Résistance à 25 30 32 la compression (3) 2 G 0,0044 1, 90 Viscosité 29 24 26 plastique (4) 3 G 0,0044 1,95 Taux de cisail- 13,4 16,3 18,2 lement (5) 4 G 0,0044 1,95 Viscosité 40 35 34 plastique (4) G 0, 0044 1,92 Temps de 270 180 210 maturation (6) 6 G aucun 1,90 Taux de cisail- 15,81 19,16 21,07 lement (5) 7 G aucun 1,90 Viscosité 45 39 38 plastique (4) 8 G 0,0071 1,90 Sédimentation oui non non (1) Classe A: Classe G: Commercialisé par CEMOIL (2) exprimé en 1/kg de ciment sec Le produit DS 80 est un agent dispersant () exprimé en MPa (4) exprimé en cP (5) exprimé en Pa (6) exprimé en minutes, avec corrélation directe en temps d'épaississement REVENDICATIONS 1. Procédé pour améliorer les caractéristiques d'un fluide et notamment d'un laitier de ciment pour la cimentation de puits, en particulier de puits pétroliers, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à ce fluide une énergie comprise entre 4,8 et 6,3 kJ/kg, au moyen de l'incorporation de pertes de charge adaptées, en ligne, avant la tête de puits et à la sortie d'une pompe haute pression, lesdites pertes de charge étant sensiblement indépendantes du débit. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on applique au fluide une énergie de 5 à 6 kJ/kg. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on applique au fluide une énergie voisine de 5,5 IJ/kg. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit fluide colsiste en un laitier de ciment pour cimentation de puits. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites pertes de charge adaptées sont obtenues par insertion en ligne, à la sortie d'une pompe haute pression, de dispositifs disposés en série et/ou en parallèle et pouvant être commandés de manière à créer une perte de charge totale sensiblement constante en fonction du débit. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite perte de charge est obtenue par un dispositif à restriction de passage libre offert au fluide, et capable d'assurer entre l'entrée et la sortie dudit dispositif une perte de charge sensiblement constante quel que soit le débit. 7. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte une restriction du passage libre offertà la circulation du fluide, causée par un poinçon coopérant avec un siège, l'un au moins du poinçon et du siège étant solidaire du corps du dispositif, l'autre étant mobile par coulissement selon l'axe longitudinal, sous la pression exercée par le fluide en fonction du débit et de la surface du passage restée libre, le déplacement de l'élément mobile étant limité par l'application d'une pression constante s'opposant à la force appliquée par le fluide sur ledit élément mobile. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite pression maintenue constante s'exerce dans une chambre annulaire comprise entre le corps du dispositif et un plongeur solidaire de la partie mobile siège ou poinçon, ladite pression étant maintenue constante dans ladite chambre grâce à un système hydraulique ou hydropneumatique. 9. - Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le poinçon présente à sa partie arrière (dans le sens de l'écoulement du fluide) une forme généralement conique, et en ce que le siège qui coopère avec le poinçcon pour déterminer le passage libre-restreint offert à la circulation du fluide présente également la géométrie d'un cône, l'angle au sommet du cône du poinçon étant égal à l'angle au sommet du cône du siège multiplié par un coef- ficient compris entre 1 et 2. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7, 8 et 9, caractérisé en ce que l'on utilise au niveau des parties sensibles à l'usure, et notamment la partie arrière du poinçon, un revêtement en un alliage de carbure de titane, ou même en ce que l'on utilise de telles pièces entièrement formées en cet alliage.