Brevet FR2641319A1 — publié le 19900706

Tête de cimentation de puits pétroliers L'invention concerne le secteur technique de la cimentation de l'annulaire des puits petroliers. On connait parfaitement le principe de cette technique qui consiste à injecter en séquence appropriée, dans l'intérieur du tubage ou "casing" descendu dans le puits de forage, des fluides tels que boue, laitier de ciment,séparés par un bouchon mécanique ("plug")et/ou par un fluide de séparation ("spacer"). On doit aussi lancer de manière appropriée un ou plusieurs bouchons mécaniques pour isoler certaines zones du puits. L'ensemble de ces opérations s'effectue sous très haute pression (pression de pompage des fluides dans le puits). Toutes ces opérations font, dans leur principe et leur mode opératoire, partie de la routine pour l'ingénieur du terrain. Actuellement, et depuis plusieurs dizaines d'années, on utilise des têtes de cimentation telles que représentées sur la Figure 2 annexée. Les têtes de cimentation de l'art antérieur fonctionnent de la maniere suivante (le fluide arrive sous tres haute pression en "F" ) : - on ouvre tout d'abord la vanne V1 (les vannes V2 et V3 étant fermées) pour circuler un premier fluide dans le puits (P) sans lancer de bouchon ; ce premier fluide peut être une boue. - on ouvre V2 après avoir fermé V1, V3 restant fermee et on admet ainsi un laitier de ciment sous très haute pression. Sous la pression, l'élément R1 (calibré) se rompt et le premier bouchon (5) est libéré et descend dans le puits. Il est suivi par le laitier de ciment que l'on continue de pomper. l'élément T ("tell-tale") monté sur ressort détecte le passage du bouchon. - lorsque la phase ci-dessus est terminée, on ferme V1 et V2, on ouvre V3, et on pompe à nouveau un laitier de ciment. Par le même processus, le bouchon (6) est libéré par rupture de l'élément R2 calibré - l'élément T détecte le passage du second bouchon. - On ferme ensuite V3. La manoeuvre de V1, V2 et V3 est effectuée manuellement car un contrôle à distance serait trop complexe. De plus, la tête de cimentation, qui doit être entièrement résistante aux très hautes pressions, est extrêmement lourde. Ceci est un sérieux inconvénient supplémentaire d'une part car la tête doit être soulevée au-dessus de la "table" du derrick et d'autre part car la manoeuvre d'une telle masse entraine un risque très élevé d'endommager le filetage à filets fins du manchon (2). Enfin, autre inconvénient grave, le phénomène bien connu de "U - tube " (chute libre du laitier de ciment dans le puits) qui se produit lors de la cimentation, provoque une dépression passage mais brutale et importante. Lorsque le premier bouchon a été lancé mais que le second n'a pas encore été lancé, cette depres- sion s'exerce sur le bouchon (6) et peut déformer l'élément R2. Cette déformation peut avoir une incidence sérieuse sur le lancement du second bouchon (lancement prématuré, blocage, coinçage en biais dans le puits etc...) et/ou la géométrie ou la résistance du bouchon, ce qui peut compromettre l'opération de cimentation. L'invention propose une tête de cimentation intégrée au tubage ou "casing", telle que représentée sur la Fig. 1 annexée. Sur les Fig. 1, 2, 3 et 4, les mêmes références des gnent les mêmes éléments. La tête de cimentation selon l'invention se compose principalement d'un élément tubulaire extérieur (4), d'un élément tubulaire intérieur (3), d'un bouchon supérieur ou "cap" (7) comportant un orifice (8) permettant d'injecter les fluides (F) dans la tête de cimentation et d'une pièce (9) capable de maintenir mécaniquement les éléments (3) et (4) en position, et pouvant être vissée sur le manchon ou "collar" (2) luimême monté de manière classique sur le tubage (1) ou "casing". L'élément interne (3) est immobilisé en rotation par la pièce (10) solidaire de l'élément interne (3) et qui est bloquée en rotation par engagement dans une gorge (11) appropriée ménagée dans la piece (9). Des joints (12, 13) assurent l'étanchéité aux fluides sous pression comme représente sur la Fig. 1. L'élément interne (3) est solidaire d'une pièce (14) qui est donc également fixe en rotation. L'élément externe (4) mobile en rotation comporte des rainures adaptées (15) qui permettent à l'élément (4) de se déplacer en rotation malgre la présence de la pièce (14). L'élément interne (3) comporte trois orifices A, B et C alignes et disposés comme représente sur la Fig. 1, percés dans la paroi. L'élément externe mobile (4) comporte trois orifices a, b et c identiques aux orifices A, 8 et C (ou sensiblement identiques), ainsi que trois orifices de dimensions plus faibles, x, y et z, destinés à permettre l'égalisation des pressions comme cela sera expliqué ci-après. La Fig. 1 correspond à un exemple non limitatif de tête de cimentation destinée à lancer deux bouchons ou "plugs" 5 (inférieur) et 6 (supérieur). Des modifications évidentes portant sur le nombre et la localisation angulaire des orifices de type A, a, ou x permettent d'augmenter le nombre de bouchons par exemple jusqu'à 3 ou 4. Ces modifications ne seront pas décrites ici, car elles apparaitront clairement à l'homme de métier à la lecture du mode de fonctionnement de la version à deux bouchons, qui va suivre. La mise en oeuvre et le fonctionnement du dispositif selon l'invention (Fig. 1 et 3 composée de 3a, 3b, et 3c, la Fig. 3 représentant des bouchons adaptés selon l'invention) seront compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessin annexe. Avant le placement de la tête de cimentation (composée principalement des pièces 7 (bouchon), 3 (élément interne fixe en rotation), 4 (élément externe mobile en rotation), 14 (pièce de fixation des bouchons 5 et 6 par rapport à l'élément 3) et 9 (pièce de raccordement au manchon ou "collar" 2), les deux bouchons 6 et 5 sont mis en place sur la tête, de la manière suivante. On introduit tout d'abord le bouchon supérieur (6) par glissement vers le haut le long de la tête, la pièce (14) coulissant dans la gorge (16) du bouchon (cf. Fig. 3) et l'élément externe rotatif (4) étant en position telle que son ergot de blocage des bouchons (ergot (17)) soit en position I2 (Fig. 3a) ce qui permet de faire coulisser cet ergot dans la gorge verticale (18) du bouchon (6). Lorsque le bouchon (6) est en position, on fait pivoter l'élément (4) jusqu'en Il/V2. Cette manoeuvre permet de faire coulisser à son tour le bouchon inférieur (5) grève aux gorges verticales (16) et (19) de ce bouchon (cf. Fig. 3b) et bloque simultanément le bouchon (6) car l'ergot 17 n'est plus en regard de la gorge verticale 18. Les deux bouchons (5) et (6j comportent une gorge horizontale (20) débouchant respectivement dans les gorges verticales (19) et (18), cette gorge (20) permettant le mouvement en rotation simultanée des deux ergots (17). Lorsque le bouchon (5) est à son tour en position, on amène les deux ergots (17) en position V1/R (Fig 3a) ce qui assure le verrouillage du bouchon (5) sans déverrouiller le bouchon (6). Les deux bouchons étant ainsi verrouillés, on visse la tête de cimentation sur le "collar" (2) comme représente sur la Fig. 1. Les orifices en communication, dans cette position de l'élément (4), sont a et A d'une part; x et B d'autre part ; et enfin y et C. Si l'on injecte un premier fluide sous haute pression en F, ce fluide (circulation de boue, laitier de ciment, saumure, etc...) va s'écouler par l'orifice (a, A) (l'élément (3) est obturé par le fond (f)) et remplir son office. Simultanément les orifices (x, B) et (y, C) assurent l'équilibrage des pressions dans toutes les zones situées de part et d'autre des bouchons. Ainsi les bouchons ne subissent aucune contrainte et seules les pièces (7) et (9) doivent être qualifiées "haute pression". Lorsque la première circulation de fluide par (a, A) est achevée, on fait pivoter l'élément (4) de la position de repos (R) à la position (L1) (cf. Fig. 3). Ce mouvement provoque simultanément - la disparition de la coincidence a, A - la coincidence (b, B) - la coincidence (z, C) - le positionnement des ergots (17) au regard de la gorge (19) du bouchon (5). On comprend aisément que la pression chasse le bouchon (5) vers le bas (l'ergot (17) étant capable de coulisser dans la gorge (19)) tandis que l'orifice (z, C9 égalise la pression dans la zone supérieur ce qui fait qu'aucune contrainte ne s'exerce sur le bouchon supérieur (6). Chaque bouchon (5) et (6) comporte sur sa partie superieure un clapet d'obturation capable de résister à la pression de travail dans le puits. Ce clapet est compose d'une plaque rigide ou semirigide (21) capable de pivoter vers le centre de la tête et vers le bas sous l'action d'un élément élastique (22) (lame métallique, lame caoutchouc etc...). Cf. Fig. 1 et Fig. 3. Lorsque l'on positionne les bouchons (5) et (6) sur l'élément (4) on relève naturellement les clapets. Au repos, les clapets s'appuient sur l'élément (4) en position légèrement inclinée vers l'intérieur, l'élément élastique 22 étant comprimé, afin que, dès que le bouchon est dégagé du bas de l'élément (4) le clapet ait tendance à se refermer sur l'orifice central (23) du bouchon. Ce mouvement de fermeture est amplifié par la pression du fluide qui s'exerce alors sur la face supérieure de la plaque (21). Cette pression fait que la plaque (21) est solidement et définitivement maintenue contre la face supérieure (24) du bouchon. Elle obture donc l'orifice (23) ce qui permet au bouchon de remplir son rôle d'élément d'isolation de zone. Un bossage (25) de géométrie adaptée permet de fixer la plaque 21 en position fermee. Pour lancer le second bouchon (6) on fait pivoter l'élément (4) de la position (L1) à la position (L2) ce qui - empêche la coIncidence (a, A) - provoque la coincidence (c, C) - fait disparaitre la coincidence (z, C) - amène les 2 ergots (17) au regard de la gorge verticale (18) du bouchon (6) : celui-ci est donc chassé librement par le fluide passant par l'orifice (c, C). La Fig. 4, qui se compose des Fig. 4e et 4b, représente une variante de bouchon à clapet interne dont le fonctionnement est très similaire à celui qui vient d'être décrit. (comme pour les autres figures, les mêmes références numériques désignent des éléments de fonction identique). Selon une autre variante évidente, le bouchon (7) peut etre divisé en une partie centrale solidaire de l'élé- ment interne (3) fixe, et en une partie externe concentrique solidaire de l'élément externe (4) et mobile en rotation. Afin de rendre les Figures plus claires, l'échelle n'a pas été respectée et certains éléments n'ont pas été représentés sur toutes les Figures, ou bien une seule fois. Par exemple le clapet (21, 22r na pas été représente, sur la Fig. 1, pour le bouchon 5. Les rectifications, notamment d'échelle, sont absolument évidentes et s'imposeront à l'homme de métier. L'invention propose donc une tête de cimentation - légère - permettant de lancer au moins deux bouchons - fiable (les bouchons ne sont pas soumis à des contraintes inutiles tant que l'on ne procède pas à leur lancement); - d'une mise en oeuvre simple (les vannes V1, V2, V3 sont supprimées) - et pouvant être commandée et automatisée à distance (il suffit de commander le pivotement du bouchon supe rieur-ou "cap" (7), qui est mécaniquement solidaire en (25) de l'élément pivotant (4), par des moyens mécaniques connus, qui peuvent être simples et fiables (vérin, bielle, engrenage, commande pneumatique, hydraulique, électromagnétique) et sont bien connus. REVENDICATIONS 1. Tête de cimentation pour puits pétroliers, de gaz, à eau, géothermiques et analogues, se positionnant sur Le manchon (ou "collar") (2) ou sur tout système de fixation haute pression analogue, lui-même fixé sur l'extrémité supérieure du tubage (ou "casing") (1) descendu dans ledit puits (P) ; ladite tête contenant au moins un bouchon (ou "plug") (5, 6) destiné à être lancé dans ledit puits (P), caractérisé en ce qu'elLe comporte : - une pièce de raccordement (9), qualifiée haute pression, pour son positionnement et sa fixation sur ledit manchon (ou "collar") (2) ; - deux éléments tubulaires concentriques -l'un interne (3) étant fixe et fermé à son extrémité inférieure (f) ; L'autre, externe (4) étant mobile en rotation- suspendus dans ledit tubage (ou "casing") (1) grâce à ladite pièce de raccordement (9) ; ledit élément fixe (3) comportant des moyens d'immobilisation (14) en rotation du (ou des)dit(s) bouchon(s) (ou "plug(s)") (5, 6) en position d'attente dans ladite tête de cimentation et ledit élément mobile (4) comportant sur sa paroi externe des moyens de verrouillage en hauteur (17) du (ou des)dit(s) bouchon(s) (ou "plug(s)") (5, 6) en position d'attente ; - un bouchon supérieur (ou "cap") (7), qualifié haute pression coiffant lesdits éléments tubulaires (3) (4), pouvant entrainer en rotation ledit élément tubulaire mobile (4) et comportant au moins un orifice d'injection (8) du fluide (F) dans l'élément tubulaire fixe, interne (3) ; et en ce que le (ou les) dit(s) bouchon(s) (ou "plug(s)") (5, 6) est (sont) positionné(s), en position d'attente, entre La paroi interne dû tubage (ou "casing") (1) et la paroi externe de l'élément tubulaire mobile en rotation (4) ; chacun desdits bouchons (ou "plugs") (5, 6) comportant un passage central (23) d'un diamètre sensiblement égal à celui de l'élément tubulaire externe (4) et étant équipé de moyens mécaniques (21) (22) susceptibles d'obturer ledit passage (23) sous la pression du fluide (F) lorsque ledit bouchon (ou "plug") (5, 6) est lancé dans le puits (P) ; chacun desdits bouchons (ou "plugs") (5, 6) comportant en outre sur toute sa hauteur deux gorges verticales ((18 ou 19) ; (16)) et dans son corps une gorge horizontale (20) débouchant dans l'une desdites gorge verticale (18 ou 19) ; lesdites première gorge verticale (18 ou 19) et horizontale (20) étant destinées à coopérer avec lesdits moyens de verrouillage en hauteur (17) du bouchon (ou "plug") (5, 6) portés par ledit élément mobile (4) et ladite deuxième gorge verticale (16) étant destinée à coopérer avec lesdits moyens d'immobilisation (14) en rotation dudit bouchon (ou "plug") (5, 6) portés par ledit élément fixe (3) ; et en ce que lesdits éléments fixe (3) et mobile (4) comportent des orifices (A, B, C, a, b, c, x, y, z) qui, dans chacun des volumes délimités par au moins une face du (ou des) dit(s) bouchon(s) (5, 6), peuvent être mis en coincidence ou au contraire déca lés d'un certain écart angulaire -grâce à une disposition appropriée desdits orifices et aux possibilités de rotation de L'élément mobile (4) par rapport à l'élément fixe (3)- de telle sorte que, par simple(s) rotation(s) successive(s) dudit élément (4) par rapport audit élément (3), rotation(s) commandée(s) par le bouchon supérieur (ou "cap") (7), on peut injecter des fluides (F) sous haute pression dans le puits (P) successivement : par l'extrémité inférieure des éléments (3) (4) ; puis par chaque zone immédiatement au-dessus d'un bouchon (ou "plug") (5, 6) -l'égalisation des pressions étant alors respectee dans les zones supérieures- ce qui provoque alors le lancement dudit bouchon (ou "plug") (5, 6) dans le puits (P) ; les moyens mécaniques (21) (22) obturant aussitôt le passage central (23) du bouchon (ou "plug") (5, 6) ainsi lancé. 2. Tête de cimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient au moins deux bouchons (ou "plugs") (5, 6) destinés à être lancés dans le puits (P). 3. Tête de cimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle contient deux bouchons (ou "plugs" > (5, 6) destinés à être lancés dans le puits (P) et en ce que L'élément interne fixe (3) comporte trois orifices (A, B, C) alignés, situés respectivement au-dessous du bouchon (ou "plug") inférieur (5), entre ledit bouchon (ou "plug") inférieur (5) et le bouchon (ou "plug") supérieur (6), au-dessus dudit bouchon (ou "plug") supérieur (6) ; et ce que l'élément externe mobile (4) comporte d'une part, trois orifices (a, b, c) décalés, lesdits trois orifices (a, b, c) étant de dimensions voisines de celles desdits orifices (A, B, C) de l'élément interne fixe (3) et étant situés respectivement aux mêmes niveaux et d'autre part, trois orifices (x, y, z) décalés, de plus faibles dimensions -destinés à L'égalisation des pressions dans les volumes délimités par les faces desdits deux bouchons (ou "plugs") (5, 6)- situés pour L'un (x) au niveau des orifices (B, b) du volume délimité par Lesdits deux bouchons (ou "plugs") (5, 6) et pour les deux autres (y, z) au niveau des orifices (C, c) au-dessus dudit bouchon (ou "plug") supérieur (6). 4. Tête de cimentation selon l'une quelconque desrevendica- tions précédentes, caractérisée en ce que chacun desdits bouchons (ou "plugs") (5, 6) est équipé d'un clapet (21) -plaque r-igide ou semi-rigide- pour L'obturation de son passage centraL (23) ; Ledit clapet (21) étant solidarisé audit bouchon (ou "plug") (5, 6) par l'intermédiaire d'un élément élastique (22) ; l'ensembLe clapets élément élastique (2f/22) étant monté soit dans le corps dudit bouchon (ou "plug") (5, 6) soit sur sa surface supérieure. 5. Tête de cimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que chacun desdits bouchons (ou "pLugs") (5, 6) est en outre équipé de moyens (25) de fixation en position fermée du clapet (21) ; ledit moyen (25) consistant par exemple en un bossage de géométrie adaptée. 6. Tête de cimentation seLon l'une queLconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que Ledit bouchon supérieur (ou "cap") (7) est un élément d'une seuLe pièce ou en ce qu'il consiste en une partie centrale fixe, solidarisée à L'élément interne fixe (3) et une partie périphérique concentrique mobiLe en rotation, solidarisée à l'élément externe mobile en rotation (4). 7. Bouchon intervenant dans La tête de cimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte : - un passage central (23), - des moyens (21, 22) permettant d'assurer à volonté Le dégagement ou L'obturation dudit passage centraL (23) ; lesdits moyens étant localisés soit dans son corps, soit sur sa surface supérieure ; - deux gorges verticales (16, 18 ou 19) de part et d'autre dudit passage central (23), sur toute sa hauteur, et - dans son corps, une gorge horizontale (20) débouchant dans L'une desdites gorges verticaLes (18 ou 19). 8. Bouchon selon La revendication 7, caractérisé en ce qu'il est en outre équipé de moyens (25) de fixation, en position d'obturation, des moyens (21, 22) d'obturation dudit passage central (23).