Brevet FR2641318A1 — publié le 19900706

TETE DE CIMENTATION DE PUITS PETROLIERS L'invention concerne le secteur technique de la cimen- tation de l'annulaire des puits pétroliers. 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.hau- te 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 représen- tées sur la figure 2 annexée. Les têtes de cimentation de l'art antérieur fonction- nent de la manière suivante (le fluide arrive sous très 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 flui- de peut être une boue. - on ouvre V2 après avoir fermé V1, V3 restant fermée et on admet ainsi un laitier de ciment sous très haute pression. Sous la pression, l'élément Ri (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 Vl 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 manuelle- ment car un contrôle à distance serait trop complexe. De plus, la tête de cimentation, qui doit être entiè- rement résistante aux très hautes pressions, est ex- trêmement lourde. Ceci est un sérieux inconvénient supplémentaire,d'une part car la tête doit être soule- vée au-dessus de la "table" du derrick et d'autre part car la manoeuvre d'une telle masse entraîne un risque très élevé d'endommager le filetage à filets fins du manchon (2). Enfin, autre inconvénient grave, le phénomène bien connu de "U-tubé (chute libre du laitier de ciment dans le puits) qui se produit lors de la cimentation, provoque une dépression passagère mais brutale et importante. Lorsque le premier bouchon a été lancé mais que le second n'a pas encore été lancé, cette dépres- sion s'exerce sur le bouchon (6) et peut déformer l'é- lément 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 bou- chon, ce qui peut compromettre l'opération de cimen- tation. 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 désignent les mêmes éléments. La tête de cimentation selon l'invention se compose principalement d'un conteneur (11) ouvert à sa partie inférieure (f) et dans lequel on positionne un certain nombre de bouchons ("plugs") ( trois bouchons sont représentés sur la Fig 1 annexée, (3), (4) et (5) mais un nombre supérieur de bouchons peut être choisi) reliés entre eux mécaniquement par les éléments de dé- crochage (15), (14), (13). Les bouchons, qui sont comme on le sait constitués au moins à leur périphérie d'une matière élastique comme le caoutchouc, sont maintenus en place dans le conteneur du fait qu'ils sont comprimés par la paroi (11). Comme représenté sur la Fig 4, chaque bouchon comporte des cannelures ou gorges verticales (6) qui peuvent être en nombre va- riable et de géométrie également variable. Ces gorges ou cannelures (6) doivent avoir une surface totale suffisante pour laisser passer une quantité notable du fluide pompé (cf. ci-dessous) et être cependant capa- bles de se refermer (et donc de disparaître) lorsque, comme expliqué cidessous, le bouchon franchit le léger étranglement (12) et se dilate dans le tubage pour occuper sa position normale dans le puits (cf. Fig 3). Les éléments de décrochage sont solidaires de chaque bouchon par des éléments mécaniques classiques non représentés. De préférence, il s'agira d'éléments mécaniques ancrés dans la masse du bouchon. L'élément supérieur de décrochage (ici, (13)) est relié à un vérin (V) à déplacement vertical, commandé par des moyens connus quelconques. Comme représenté sur la Fig 1, les bouchons, le conteneur, le vérin et la face inférieure de la pièce de raccordement (7), qui est fixée sur le manchon ou "collar" (2) lui-même monté de manière classique sur le tubage ou "casing" (1) descendu dans le puits (P), définissent des zones A, B, C et D. La paroi du conteneur (11) est percée au regard de chaque zone A, B, C et D d'orifices (8),(9), (10), (17) permettant un écoulement facile du fluide (F) pompé sous haute pression dans le puits. Le principe de fonctionnement de la tête selon l'invention est le suivant: - on établit entre les zones (A) et (D) une perte de charge t p aussi faible que possible (de préférence moins de 50 psi/3;5 kg/cm2, préférentiellement voisine de 10 psi/0,7 kg/cm2). - on calibre les éléments 15, 14 et 13 de telle sorte (cf. ci-après) qu'ils se rompent sous une force de traction (correspondant à la différence de pressions P exercée par le fluide sur la face supérieure d'un bou- chon (Ps) et sur la face inférieure du même bouchon (Pi))telle que: P = Ps - Pi et (dans l'exemple non limitatif représenté sur la Fig 1.) A P (élément 15) sont donc soumis à aucune contrainte grâce à l'égali- sation des pressions et le premier fluide peut être mis en circulation dans le puits durant le temps dé- siré. - On déplace ensuite le vérin V vers le bas d'une distance suffisante pour que le bouchon inférieur (3) franchisse le léger bossage (12) de sécurité (ce bossage n'est pas impératif) et atteigne la zone E. Naturellement (cf. ci-dessous) les éléments (15), (14) et (13) de décrochage sont capables de transmettre sans déformation la poussée du vérin. Dans la zone E le bouchon se dilate jusqu'à la paroi du tubage (1) o il prend sa forme définitive, bien connue. Ce faisant, les gorges ou cannelures (6) se referment et l'étan- chéité entre la zone E et le bas du puits est donc assurée (opération représentée sur la Fig 3.) - Si l'on admet à ce moment un second fluide F, qui peut notamment être un laitier de ciment, une boue, un fluide inerte ou "spacer", une saumure etc...) sous pression, la pression de pompage P1 (cf Fig 3) devient très supérieure à la pression P2 et l'élément (15) est soumis à un L P (élément 15) suffisant pour provoquer le décrochage du bouchon (3). Celui-ci est alors "lan- cé" correctement dans le puits sous l'action de P2. - On opère ensuite de même avec successivement les bouchons (4), (5),... par simple déplacement du vérin V vers le bas permettant au bouchon (4), (5) etc... d'atteindre la zone E. Une réalisation préférée des éléments de décrochage a été représentée sur la Fig 5. La Fig 5. décrit la situation dans laquelle le bouchon (3) a déjà été lancé et o le vérin (V) a amené le bouchon (4) ( auquel une partie d'élément (15) reste fixée, cf. ci-après) dans la zone E. La Fig 5. décrit donc le fonctionnement de l'élément (14) mais il sera évident que la structure et le fonctionnement des élé- ments (15) ou (13) sont identiques. Dans la réalisation préférée décrite, l'élément (14) se compose de deux parties: (a) fixée mécaniquement au bouchon situé au-dessus du bouchon (4) (ici, bou- chon (5) et (b) fixée mécaniquement au bouchon (4). La "fixation mécanique' n'a pas été représentée. De préférence (a) et (b) sont des pièces métalliques ou en matériau composite traversant le bouchon et fixées par ancrage dans le caoutchouc du bouchon au moyen de cannelures, ou fixées par un filetage ou autre à un élément métallique lui-même ancré au bouchon, ou fai- sant partie de ce bouchon. De telles fixations sont évidentes. La pièce (a) est logée dans un évidement adapté de la pièce (b) et s'appuie sur le fond (23) de cet évidement. Les parois latérales de l'évidement comportent une ou plusieurs gorges (22) placées en regard d'évidements (24) ménagés dans toute l'épais- seur de la pièce (b), les gorges (22) et évidements (24) étant dimensionnés pour recevoir au moins un élé- ment mobile (5) ( de préférence une bille) occupant sensiblement tout l'espace défini par (22) et (24) et donc fixant solidement la position relative de (a) et (b). Un piston (21) bloque le ou les éléments (S) et est maintenu en position par un moyen mécanique tel que le ressort facilement compressible R (c'est-à-dire exercant sur la face inférieure(25) du piston une for- ce juste suffisante pour maintenir le piston en posi- tion de butée sur l'épaulement (27) de la pièce (a)). Lorsque, comme expliqué plus haut, la pression P1 augmente, le piston est soumis naturellement à une force verticale dirigée vers le bas (grâce aux commu- nications (d) et (28)): P1 x (surface 20) et à une force verticale dirigée vers le haut (grâce aux commu- nications (g) et (26)): P2 x (surface 25). Lorsque la résultante vers le bas de ces deux forces atteint le seuil de calibration prédéterminé pour l'élément (14)/le piston descend dans l'évidement (26), l'effet de la pression P1 (très supérieure à P2) pousse le bouchon (4) vers le bas, ce qui chasse les éléments (S) vers l'intérieur de l'évidement (26, 28, 24). On peut favoriser ce mouvement par une forme ap- propriée de la surface supérieure (29) des gorges(22). Dès que, dans ce mouvement, les éléments S ne sont plus engagés dans les gorges (22), la pièce (b) est déconnectée de la partie (a) et le bouchon (4) est "lancé" vers le bas par la pression de pompage Pl. La pièce (a) reste fixée au bouchon supérieur (5) ce qui est sans inconvénient. Naturellement, des joints (J) assurent l'étanchéité comme représenté sur la Fig. 1 et la Fig. 5, et le ressort R peut être remplacé par des moyens équiva- lents: moyen de frottement au niveau des parois, pe- tit élément de rupture solidarisant légèrement le pis- ton (21) et la pièce (b) et largement incapable de s'opposer au mouvement du piston sous l'action de Pi - P2, etc... La Fig. 4 représente un bouchon modifié utilisé selon l'invention. Le détail des bouchons n'a pas été repré- senté car ce sont des éléments bien connus. Notamment, les lèvres souples horizontales périphériques qui as- surent une étanchéité maximale au niveau des parois du tubage (et, ici, du conteneur). Un clapet anti-retour peut être utilisé en remplacement des gorges (6) (cf. demande de brevet français NO.............. déposée ce jour par la demanderesse Figs. 3 et 4). L'invention propose donc une tête de cimentation: - légère (seul le bouchon ou "cap" (7) doit être qua- lifié haute pression, le conteneur (11) pouvant être 1 en métal ou alliage de faible épaisseur ou en maté- riau composite); - fiable (en raison de l'égalisation de la pression qui limite les contraintes dangereuses au niveau des l"plugs" notamment). - très simple d'utilisation (la seule manoeuvre à ef- fectuer étant la descente du vérin); - automatisable et pilotable à distance; - Ces deux derniers avantages étant également importants au plan de la sécurité du personnel et de la fiabilité de l'opération; - pouvant lancer 2, 3, 4, 5, etc...bouchons ou "plugs" ce qui permet d'effectuer pour la première fois des opérations beaucoup plus complexes (et donc précises) que dans l'art antérieur. 26 4 1318 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), caractérisé en ce qu'elle comporte: - une pièce de raccordement (ou "cap") (7) qualifiée haute pression pour son positionnement et sa fixation sur ledit manchon (ou "collar") (2); ladite pièce de raccordement étant traversée par au moins une conduite d'admission de fluide(s) (F) et, en son centre, par un vérin (V); - un conteneur cylindrique (11) ouvert à sa partie inférieure (f), suspendu dans ledit tubage (ou "casing") (1) à la partie inférieure (16) de ladite pièce de raccordement (ou "cap") (7) et à l'intérieur duquel débouche ladite conduite d'admission de fluide(s) (F) et ledit vérin (V); le diamètre dudit conteneur cylindrique (11) étant inférieur au diamètre intérieur dudit tubage (ou "casing") (1) de sorte qu'il subsiste un espace annulaire libre (e); - au moins un bouchon (ou "plug") (3, 4, 5) présentant au moins à sa périphérie une certaine élasticité, comprimé en position d'attente à l'intérieur dudit conteneur (11) et, dans ladite position d'attente offrant au fluide pompé (F) au moins un passage (6) par lequel il s'écoule librement du haut vers le bas dudit conteneur (11); chacun desdits bouchons (ou "plugs") (3, 4) étant relié à son homologue supérieur par un élément de décrochage (15, 14), le bouchon (ou "plug") (5) le plus proche du vérin (V), éventuellement unique, étant relié à la partie inférieure dudit vérin (V), par un élément de décrochage (13) du même type; lesdits bouchons (ou "plugs") (3, 4, 5) délimitant ainsi dans ledit conteneur (11) des volumes libres (A, B, C, D) au niveau de chacun desquels la paroi dudit conteneur (11) présente des orifices (8, 9, 10, 17) au travers desquels une partie du fluide pompé (F) peut passer Librement pour s'écouLer du haut vers Le bas dans Ledit espace annuLaire Libre (e); chacun desdits éLéments de décrochage (13, 14, 15) étant capable de transmettre La poussée du vérin (V) vers le bas à l'ensemble: éLéments de décrochage (13, 14, 15)/bouchons (5, 4, 3) -ladite poussée, en séquence, expulsant successivement chaque bouchon (3, 4, 5) hors dudit conteneur (11)- et chacun desdits éléments de décrochage (13, 14, 15) étant conçu et calibré pour libérer le bouchon inférieur, expulsé dudit conteneur, dès que s'exerce sur celui-ci une force dirigée vers le fond du puits (P), d'une intensité donnée; la calibration étant telle que l'intensité de la force à exercer, pour libérer successivement chacun des bouchons augmente sensiblement du bouchon inférieur vers les bouchons supérieurs; chacun desdits bouchons (ou "pLugs") (3, 4, 5) étant capable, après son expulsion dudit conteneur (11) dans le tubage (ou casing") (1), d'interdire tout passage au fluide (F) de sorte que l'augmentation de pression au-dessus dudit bouchon (ou "plug") (3, 4, 5) due à l'étanchéité ainsi créée, provoque sa libération au niveau de son élément de décrochage (15, 14, 13) et sa propulsion convenable vers le fond du puits (P). 2. Tête de cimentation selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'elle comporte au moins deux bouchons (ou "plugs") (3, 4, 5) comprimés en position d'attente dans ledit conteneur (11). 3. Tête de cimentation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit conteneur (11) présente dans sa partie inférieure proche de l'ouverture (f) -à un niveau inférieur à celui du bouchon inférieur- un Léger étranglement (12). 4. Tête de cimentation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que chacun desdits éléments de décrochage (14) reliant un bouchon inférieur (4) à un bouchon supérieur (5) ou le bouchon supérieur (5) au vérin (VL7 comporte: - une partie mâle supérieure (a) -fixée mécaniquement au bouchon supérieur (5) &u au vérin (V)/comportant dans sa partie inférieure au moins un évidement latéral (24) et sur une partie de sa hauteur, à partir de son extrémité inférieure et au moins jusqu'au niveau dudit évidement latéral (24), une cavité centrale (28) communiquant avec la zone au-dessus dudit bouchon inférieur (4) (P1); - une partie femelle inférieure (b) -fixée mécaniquement au bouchon inférieur (4)- présentant un évidement dans lequel se loge ladite partie mâle (a); ledit évidement présentant dans sa partie supérieure au moins une gorge (22), de sorte que, en position d'accrochage, lesdits évidement(s) (14) et gorge(s) (22) placés en regard constituent un logement pour au moins un élément mobile (S) de dimensions appropriées; ledit élément mobile (S) étant maintenu temporairement dans son logement et assurant ainsi la solidarisation des pièces mâle (a) et femelle (b)par un piston (21) logé dans ladite cavité (28) de la partie mâle (a) communi- quant avec la zone au-dessus dudit bouchon inférieur (4)1 (P1) et un évidement (26) de la partie femelle (b) et du bouchon inférieur (4) dans le prolongement de l'évidement recevant ladite partie mâle (a), ledit évidement (26) communiquant avec la zone au-dessous dudit bouchon inférieur (4) (P2); ledit piston (21) étant maintenu en position de blocage dudit élément mobile (S) par un ressort (R) ou tout moyen analogue; ledit piston (21) libérant ledit élément mobile et provoquant ainsi la désolidarisation des parties mâle (a) et femelle (b), -le décrochage du bouchon (4)- lorsque la différence d'intensité des forces qui s'exercent sur les faces supérieure (20) et inférieure (25) dudit piston (21) atteint le seuil de calibration prédéterminé pour ledit élément de décrochage (14). 5. Tête de cimentation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites parties mâle (a) et femelle (b) de chacun desdits éléments de décrochage (13, 14, 15) comportent respectivement deux ou quatre évidements latéraux (24) et deux ou quatre gorges (22), qui, disposés en regard, constituent deux ou quatre logements pour des billes, de préférence en acier. 6. Tête de cimentation seLon L'une des revendications 4 ou , caractérisée en ce que la ou les gorges (22) de La partie femelle (b) de chacun desdits éLéments de décrochage (13, 14, 15) est chanfreinée (29) pour favoriser Le mouvement du ou des éLément(s) mobile(s) (5) Lorsque Le piston (21) descend dans L'évidement (26). 7. Bouchon intervenant dans La tête de cimentation selon L'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'état comprimé dans le conteneur (11), il présente à sa périphérie des gorges ou cannelures (6) -au travers desquelles s'écoule le fluide pompé (F)- susceptibles de se résorber lorsqu'il est expulsé dudit conteneur (11) dans le tubage (ou "casing") (1). 8. Bouchon intervenant dans la tête de cimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une gorge (6) susceptible d'être obturée par un clapet anti-retour. 9. Bouchon selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'il comporte un évidement (26) dans lequel est susceptible d'être inséré un piston (21) solidarisé à un ressort (R), ledit évidement (26) étant ouvert à la partie inférieure du bouchon et en ce que ledit bouchon est équipé de moyens, sur ses faces supérieure et inférieure, pour sa solidarisation au vérin (V) et/ou à un autre bouchon du même type, lesdits moyens consistant respectivement en les parties femelle (b) et mâle (a) d'un élément de décrochage telles que caractérisées à la revendication 4.