Brevet FR2556406A1 — publié le 19850614

FLOPETROL AFF. 16 Procédé pour actionner un outil dans un puits à une profon- deur déterminée et outil Dermettant la mise en oeuvre du Dro- cédé. L'invention concerne le travail en profondeur dans les puits, tels que ceux des forages pétroliers ou géothermiques. Au cours des opérations de prospection ou d'exploitation, il est souvent nécessaire d'ancrer un outil dans un puits à une profondeur choisie. D'une manière plus générale, de nombreux types d'outils ont vocation à être actionnés à une profon- deur bien déterminée: c'est le cas par exemple d'une -cuiller à ciment" qu'il faut décharger à la profondeur à laquelle le puits doit être obturé. Le moyen classique consiste à descendre d'abord l'outil, à l'aide d'un câble, à la profondeur voulue, repérée par la longueur déroulée du câble de descente. L'outil est alors ancré dans le tube de production. Ensuite, la commande pro- prement dite de l'outil s'effectue par des tractions répé- tées, exercées depuis la surface par l'intermédiaire du câble jusqu'à rupture d'une ou plusieurs chevilles. Lorsque le câble utilisé est un câble électrique, on peut employer des moyens pyrotechniques commandés électriquement depuis la surface. Tous ces moyens connus sont à action brusque, ce qui est estimé nécessaire dans cette technique, afin notam- ment d'éviter un déclenchement intempestif de l'outil ailleurs qu'à la profondeur voulue. En commande par traction, le tarage de la ou des chevilles à rompre doit être défini avec soin et les opérations de commande de l'outil nécessitent la fixation de l'outil dans le puits. Quant aux moyens pyrotechniques, qui ne sont ap- plicables que lorsqu'un càble élastique est utilisé, ils nécessitent aussi le respect de précautions de sécurité assez rigoureuses, bien connues des hommes de l'art. Enfin, certains puits, de configuration particulière, pren- nent en défaut les techniques classiques de déclenchement d'outils en profondeur. C'est le cas notamment des puits qui présentent une restriction localisée, au-delà de la- quelle l'outil doit être déclenché. Cette restriction rend difficile, voire même impossible le passage de l'outil muni de moyens d'ancrage. On peut aussi mentionner que la commande d'un outil par traction sur le câble s'accomode mal des puits déviés. La présente invention vient apporter une solution satisfai- sante à ces problèmes. Ainsi, un premier but de l'invention est de fournir des moyens de déclenchement d'un outil en profondeur qui conci- lie un mode d'action doux avec une aussi grande sécurité que les moyens de la technique antérieure. Un autre but de l'invention est de fournir des moyens de déclenchement doux qui agissent cependant assez vite, notam- ment pour la commande d'outils tels qu'une cuiller à ciment. Un autre but encore de l'invention est de permettre l'ac- tionnement d'outils à des profondeurs et/ou dans des puits o cela n'était pas possible jusqu'à présent. Enfin, un autre but de l'invention est de fournir une tech- nique de déclenchement d'outil en.profondeur qui puisse être facilement adaptée sur le terrain en fonction des be- soins. A cet effet, l'invention propose tout d'abord un procédé pour actionner un outil dans un puits à une profondeur choisie. Ce procédé comporte les opérations suivantes: a) déterminer la température du puits à la profondeur choi- sie, b) équiper l'outil d'un organe de commande réalisé en un matériau propre à fondre à une température voisine de la température ainsi déterminée, c) descendre cet outil à la profondeur voulue, et y atten- dre l'actionnement de l'outil par fusion de son organe de commande. Cette technique donne satisfaction dans tous les cas, mais est particulièrement utile dans le cas de puits comportant un passage en restriction et/ou fortement dévié. Dans les mises en oeuvre les plus courantes du procédé, on emmagasine dans l'outil de l'énergie, qui est ensuite libé- rée par la fusion de l'organe de commande. A l'heure actuelle, il cst estimé souhaitable que la tempe- rature de fusion du matériau formant l'organe de commande soit définie avec une précision de plus ou moins 5 C, de préférence de plus ou moins 2 C environ. En pratique, on choisit uri matériau fusible à une tempéra- ture égale ou légèrement inférieure à la température du puits à la profondeur voulue. Celle-ci peut être déterminée par mesure directe à l'aide d'une-sonde de température ou par la mesure ou même l'estimation du gradient thermique le long du puits. Le temps d'attente à respecter pour obtenir le déclenchement de l'outil est relié au temps nécessaire à l'équilibre thermique entre l'outil et le fluide du puits lorsque l'outil a atteint la profondeur désirée. C'est en général une fraction de ce temps. L'invention offre également des outils de profondeur permet- tant la mise en oeuvre de ce procédé. Dans une définition générale d'un tel outil, celui-ci compor- te en combinaison des moyens de stockage mécaniques d'éner- gie susceptibles d'être chargés en surface, ainsi qu'au moins un organe de commande, fusible à température prédéter- minée, et dont la fusion met fin audit stockage. Selon une autre définition, l'outil comprend deux parties qui sont normalement sujettes à un mouvement relatif, ainsi qu'un organe de commande constitué d'une pièce fusible immo- bilisant les deux parties l'une par rapport à l'autre à l'en- contre dudit mouvement relatif. Dans un premier mode de réalisation de l'outil, les deux par- ties sont deux pièces sujettes à mouvement relatif l'une par rapport à l'autre, à l'encontre d'un rappel élastique. L'or- gane de commande comprend un verrou tel qu'une cheville fu- sible immobilisant les deux pièces l'une par rapport à l'au- tre en position bandée du rappel élastique. L'un des besoins les plus courants dans la manipulation des outils descendus dans les puits est l'ancrage de ces outils dans le puits. On peut très facilement réaliser ainsi des moyens d'ancrage en équipant l'une des pièces de mâchoires qui sont supportées mobiles à coulissement axial sur une tige, laquelle se termine par un cône d'expansion, vers le- quel les mâchoires sont sollicitées par le rappel élastique. S6406 L'ancrage peut ainsi être obtenu sans nécessiter de tractions répétées à l'aide d'un câble ou de moyens équivalents. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'une des deux parties de l'outil forme un récipient contenant l'autre partie, à l'encontre de la gravité. On obtient ainsi par exemple une cuiller à ciment,formée d'un récipient muni d'une ouverture, laquelle peut être fermée par un obtu- rateur. La Demanderesse a constaté que certains alliages métalliques particuliers, présentant toutes les caractéristiques souhaita- bles pour être utilisés en profondeur dans un puits, sont susceptibles d'une fusion pratiquement franche à toutes tem- pératures choisies comprises entre environ 45 et 400 C, la précision de température étant de plus ou moins 2 C, ou mieux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raitront à l'examen de la description détaillée qui va sui- vre, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1A et lB représentent un outil d'ancrage selon la présente invention; et - la figure 2 représente une cuiller à ciment selon l'inven- tion. * Les équipements descendus dans les puits pétroliers et/ou géothermiques fonctionnent dans des conditions très spéci- fiques, o ils subissent des contraintes de pression et de temperature exceptionnelles. Ainsi, pour actionner un outil en profondeur, il est admis qu'il faut: munir cet outil d'un organe susceptible de casser sous un effort bien déterminé, qu'il y a lieu de régler. - descendre cet outil à la profondeur voulue, - l'y ancrer, - exercer à distance, généralement à l'aide d'un câble, des tractions répétées jusqu'à obtention de la rupture dudit organe. Dans certains cas, comme celui des cuillers à ciment, il est possible d'user de moyens pyrotechniques télécommandés par un câble électrique depuis la surface. L'explosion ouvre alors la porte qui libère le ciment à la profondeur voulue dans le puits. En plus du fait qu'il n'est pas d'applica- tion générale, ce procédé pyrotechnique souffre d'inconvé- nients sérieux, liés d'une part à l'existence de l'explosion et, d'autre part, aux déchets de combustion et autres débris qui en résultent. La présente invention vient offrir une solution très diffé- rente, inconnue jusqu'à présent pour le déclenchement d'ou- tils descendus dans les puits pétroliers ou de géothermie. Cette solution est fondée sur l'application de métaux ou d'alliages métalliques spécifiques, capables de fondre à une température bien déterminée, définissable dans une fourchet- te étroite, de plus ou moins 5 C, ou mieux de plus ou moins 2 C. Bien que différents types de matériaux puissent répondre à cette condition, la demanderesse préfère utiliser actuelle- ment les alliages "fusibles" vendus par la Société BRACONNOT à Paris (France). En agissant sur les proportions des éléments qui composent cet alliage, on peut définir avec une grande précision son point de fusion, qui peut descendre jusqu'à environ 45 C. Ce matériau est facilement usinable et il possède des caracté- ristiques de fusion suffisamment franches pour donner satis- faction. On sait que les puits, notamment les puits pétroliers, sont le siège d'un gradient thermique, la température augmentant en moyenne d'environ 1 C tous les trente mètres. Bien que cette variation de température ne soit pas rigoureusement linéaire, elle demeure sensiblement monotone, et ne présente en fonction de la profondeur que des paliers ou de petites variations. Et il s'est avéré que cette situation est compa- tible avec l'usage de la fusion d'un alliage tel que défini plus haut, pour la libération d'une énergie emmagasinée en surface et stockée dans l'outil. Dans certaines circonstances, on fait des mesures très pré- cises du profil de température d'un puits en fonction de la profondeur, à moins d'10C près. Indépendamment de mesures précises, pour tout puits, on sait généralement à quelques degrés près quelle est la température du puits en fonction de la profondeur. Lorsqu'on désire actionner un outil dans un puits à une profondeur choisie, il est donc possible de déterminer la température du puits à cette profondeur à i ou 2 près. Comme précédemment indiqué, on équipe alors l'outil d'un organe de commande réalisé en un matériau tel que l'alliage précité, choisi pour que sa température de fusion soit voi- sine de la température du puits ainsi déterminée à la pro- fondeur voulue. On descend l'outil à cette profondeur, et on y attend l'actionnement de l'outil par fusion de son or- gane de commande. Il a été observé aussi que tout outil pénétrant dans un puits n'acquiert pas immédiatement la température du puits au point o il se trouve. Le temps de latence nécessaire pour que l'outil soit en équilibre thermique avec le puits, lors- que l'outil est arrêté à un endroit bien déterminé, est cou- ramment de l'ordre de la dizaine de minutes. On choisit alors le matériau fusible de manière que sa température de fusion soit égale ou de préférence légèrement inférieure à la tempé- rature du puits à la profondeur voulue. Il a été observé alors que la fusion se produit en quelques minutes, réali- sant ainsi l'actionnement de l'outil. L'énergie stockée en surface dans l'outil peut être de di- verses natures: il peut s'agir d'une différence de pression hydrostatique ou de l'énergie d'un ressort prétaré, par exemple. Dans le premier cas, on stocke dans l'outil un maté- riau de densité supérieure à la densité du fluide remplis- sant le puits à la profondeur voulue. L'organe de commande fusible va, par ouverture d'un volet, libérer ce matériau qui sort de l'outil. Le stockage d'énergie s'apparente alors en ce cas à un stockage de matière et on associe à cette ma- tière une énergie qui dépend de la différence de densités de ladite matière et du fluide remplissant le puits. C'est le cas d'une cuiller à déposer le ciment, ou un autre corps de densité supérieure à celle du fluide se trouvant dans le puits. Comme exemple d'autres corps, on peut citer le sable ou le gravier, par exemple. L'invention peut s'appliquer à la plupart des outils de fond, dans lesquels il est nécessaire de manoeuvrer une chemise dans des conditions difficiles, ou lorsque les chocs sont né- fastes à son fonctionnement, ce qui interdit l'usage des ca- bles de la technique antérieure. Ceci correspond au second cas, à savoir le stockage mécanique d'énergie par l'intermé- diaire d'un ressort prétaré ou de moyens équivalents. Les figures 1A et lB illustrent un premier mode de réalisa- tion de la présente invention, qui permet l'ancrage d'un outil en profondeur. L'outil est illustré à l'intérieur d'un tube de production CP. Il comporte une douille de tête 101, munie d'un épaulement d'extrémité 10Q, et à l'autre bout de moyens de fixation 102. S6406 Pour la descente dans le puits, la tête 101 est fixée à l'extrémité d'un câble non conducteur par l'intermédiaire d'un outil de pose. Le corps de l'outil est pour le reste de forme générale cylindrique. Après l'organe 102, il comporte un cylindre massif 103, suivi d'un autre épaulement 104. Cet épaulement définit le diamètre extérieur maximum de l'outil, dans sa position de repos avant l'ancrage. L'épaulement 104 est suivi d'un corps conique 111, qui va en s'amincissant jusqu'à une tige cylindrique centrale 110. A son autre extrémité, la tige 110 est munie d'un épaulement 112. Sur la tige 110 peut coulisser un corps annulaire 120, dont la partie haute définit un logement annulaire 121. En ce logement 121 viennent s'insérer les pieds 122 et 122A de deux pièces d'ancrage 123 et 123A, dont les autres extrémités for- ment chiens ou mâchoires (opérant en extension), en 124 et 124A. Les faces internes des mâchoires 124 et 124A sont évasées vers le haut; en position de repos, elles s'appuient sur le début du cône d'expansion 111. Le bas de la pièce annulaire 120 forme butée pour un ressort , qui s'appuie par ailleurs sur l'épaulement 112 déjà cité. Dans la position de repos de l'outil, une goupille traverse la tige 110, pour immobiliser l'anneau 120 dans une position o le ressort 130 est bandé. La goupille 140 est réalisée en un matériau fusible selon l'invention. En opération, l'outil est descendu à la profondeur désirée, après qu'y ait été placée une goupille 140 fusible à la température correspondante. Après fusion de la goupille 140, qui intervient au bout de quelques minutes, le ressort 130 sollicite vers le haut l'anneau 120, qui pousse à son tour les mâchoires 124 et 124A, de telle sorte qu'elles sont écartées par le cône 111, et viennent en prise sur le tube de production CP, réalisant ainsi l'ancrage de l'outil. Cette fonction d'ancrage est ainsi obtenue sans aucun choc. De plus, les moyens utilisés admettent un déplacement impor- tant des mâchoires 124 et 124A entre leur position de repos et leur position d'ancrage, alors qu'en règle générale les moyens de la technique antérieure ne le pouvaient pas. La disposition selon l'invention permet donc de réaliser un ancrage satisfaisant au-delà d'une restriction, compte tenu du grand débattement permis pour les mâchoires 124 et 124A. Le second mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 2, o il s'agit d'une cuiller à ciment. La pièce de tête 203 est surmontée d'un épaulement 202, puis d'un filetage 201. En dessous, elle forme un couvercle 204 perforé en 205. A l'intérieur de ce couvercle vient se loger une paroi cylindrique 210, qui s'y trouve fixée par une gou- pille 206. En partie basse, le tube cylindrique 210 est muni d'un sabot 211, qui maintient en appui sur l'extrémité du tube un disque 240. Ce disque 240 est réalisé en un matériau fusible selon l'in- vention. Là encore, un outil de ce genre est susceptible de diffé- rentes applications, notamment celles consistant à cimenter un puits audelà d'une restriction. De plus, la mise en oeuvre de cette cuiller à ciment est plus rapide qu'avec la technique antérieure, o il était souvent nécessaire d'attendre que le ciment ait commencé à se solidifier, avant S6406 il de pouvoir amener une nouvelle cuiller à ciment pour conti- nuer la cimentation. On donnera ci-après deux exemples illustrant respectivement la mise en oeuvre de deux outils décrits. Exemple 1 Des outils tels qu'illustrés sur les figures 1A et lB ont été munis de goupilles fusibles l'une à 70 C et l'autre à 120 C. Les compositions des alliages formant les goupilles étaient les suivantes: à 70 C: X 50% de bismuth X 25% de plomb X X 12,5% de zinc X 12, 5% de cadmium X à 1200C X 1% de zinc X X 55% de bismuth X X 44% de plomb Ces outils d'ancrage ont pu être installés dans des conditions très difficiles, à savoir un puits dévié en profondeur, muni d'un tube de production ayant une partie intermédiaire, de diamètre plus faible que les parties supérieure et inférieu- re. Ces outils ont donné satisfaction, alors que les moyens d'ancrage de la technique antérieure ne pouvaient pratiquement pas fonctionner. Exemple 2 Un outil selon la figure 2 a été réalisé avec, pour la pièce 240, un disque de "ceroben', d'épaisseur 2 a= et de diamètre mm, qui fondait à 120 C. Sa composition était la meme que l'alliage indiqué à l'exemple 1. De cette manière, douze cuillers à ci:nent (onze de ciment et une de sable) ont pu être déposées successivement à la pro- fondeur de 5000 rmètres environ, et ce avec succès et très rapidement. A titre d'exemple, le brevet US 4 390 291 donne la composi- tion d'alliages fondant à diverses températures. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux outils particuliers qui viennent d'être décrits. A partir d'un stockage d'énergie par ressort tel qu'utilisé sur la figure 1, on peut prévoir une goupille fusible dont la fusion va à son tour produire la chasse d'une seconde goupil- le plus forte, laquelle déclenche à son tour l'outil, mais avec une énergie plus importante, stockée par exemple dans un second ressort. On réalise de la sorte une amplification mécanique pour obtenir l'énergie nécessaire au déclenchement de l'outil. Inversement, au lieu que la "porte" 240 de l'outil de la figure 2 soit entièrement en matériau fusible, on pourrait aussi prévoir une porte sollicitée à l'ouverture par un rappel élastique, ou même simplement par la gravité, et maintenue en place par un verrou fusible. L'invention peut encore s'appliquer à d'autres types d'outils, dont notamment, le dépôt en profondeur d'instruments électro- niques fragiles, ou l'actionnement en profondeur d'échantil- lonneurs de matière. Revendications. 1. Procédé pour actionner un outil dans un puits à une profondeur choisie, caractérisé par les opérations consis- tant à: a) - déterminer la température du puits à la profondeur choisie, b) - équiper l'outil d'un organe de commande (140, 240) réalisé en un matériau propre à fondre à une tempéra- ture voisine de la température ainsi déterminée, c) - descendre cet outil à la profondeur voulue, et y atten- dre l'actionnement de l'outil par fusion de son organe de commande. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape b)est emmagasinée dans l'outil de l'énergie qui est ensuite libérée par fusion de l'organe de commande. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la température de fusion du matériau est définie avec une précision de 5 C, de préférence + 2 C. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'là l'étape b)- on choisit un matériau fusible à une température égale ou légèrement inférieure à la température du puits à la profondeur voulue, et en ce qu'à l'étape c)- le temps d'attente est relié au temps d'équilibre thermique entre l'outil et le puits. 5. Outil de profondeur destiné à être descendu dans un puits à l'extrémité d'un câble, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison des moyens de stockage mécanique d'énergie ou de matière (110, 120, 210, 220) susceptibles d'être chargés en surface, ainsi qu'au moins un organe de commande (140, 240) fusible à température prédéterminée, et dont la fusion met fin audit stockage. 6. Outil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de stockage comprennent deux parties normalement sujettes à mouvement relatif (110, 120; 210, 220) et en ce que l'organe de commande (140, 240) comprend une pièce fusi- ble immobilisant les deux parties l'une par rapport à l'au- tre à l'encontre dudit mouvement relatif. 7. Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de stockage comprennent deux pièces (110, 120) sujettes à mouvement relatif à l'encontre d'un rappel élas- tique (130), et en ce que l'organe de commande comprend une cheville fusible (140) immobilisant les deux pièces l'une par rapport à l'autre en position bandée du rappel élas- tique (130). 8. Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de stockage comprennent des mâchoires (124, 124A) supportées mobiles à coulissement axial sur une tige (110) - se terminant par un cône d'expansion (111), vers lequel elles sont sollicitées par un ressort (130). 9. Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'une (210) des deux parties forme un récipient contenant l'autre (220), à l'encontre de la gravité. 10. Outil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de stockaqe comprennent une paroi latérale (210) ouverte à son extr6mité basse, et en ce que l'organe de commande comprend une pièce fusible (240) fermant ladite paroi à son extrémité basse. 11. Outil selon l'une des revendications 5 à 10, caractéri- sé en ce que l'organe de commande est réalisé en un alliage métallique susceptible de fusion sensiblement franche à une température prédéterminée comprise entre environ 45 C et 400 C, ladite température étant définie avec une précision de - 5 C, de préférence + 2 C, environ. 12. Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit alliage comprend principalement du bismuth, ainsi que l'un au moins des éléments plomb et zinc.