Brevet FR2648509A1 — publié le 19901221

--1 -- La présente invention a pour objet une méthode et un dispositif pour conduire des opérations de perforation dans un puits et notamment d'un puits destiné a la production ae pétrole. Suivant une méthode bien conrue des spécialistes en forage, la mise en production d'un puits pétrolier s'effectue en faisant descendre dans un puits cimenté une colonne (ou tubing) de production de section inférieure à celle du puits. Un outil de perforation tel qu'un canon contenant une ou plusieurs charges explosives, est fixé à sa base par des moyens de connexion détachables. La colonne est équipée vers sa partie inférieure, d'un bloc d'obturation de puits du type packer dont la dilatation commandée depuis une installation de surface, permet de fermer l'espace annulaire entre la paroi du puits et la colonne de production et d'immobiliser celle-ci quand le canon a atteint la profondeur choisie. Le déclenchement du canon est assuré par la descente dans la colonne d'une barre de percussion adaptée à venir percuter un détonateur en haut du canon, par ouverture d'une vanne permettant l'application d'une surpression hydraulique que l'on impose dans la colonne ou bien encore par une mise à feu électrique en faisant descendre un connecteur électrique femelle jusqu'a un connecteur complémentaire disposé à la partie supérieure du canon. Quand le puits se met à produire, du fait des perforations effectuées, on détache toute la partie inférieure de la colonne au-dessous duc bloc ou packer de manière a dégager le passage vers la surface et cette partie tombe au fond du puits. Les spécialistes désignent souvent ces systèmes de perforation sous le nom de systèmes TCP (pour Tubing Conveyed Perforating). -2- Différents systèmes de ce type sont décrits entre autres exemples dans les brevets US No. 4 633 945 ou 4 756 371 ou encore dans la demande de brevet européen No 288239. Dans un tel système de perforation, la distance entre le bloc d'obturation ou packer et le canon est souvent de plusieurs dizaines de mètres du fait de sections tubulaires rigides intercalées entre les deux. On est donc oblige de forer une portion de puits supplémentaire (dénommée "rathole" par les spécialistes) bien au-delà de la profondeur o les perforations vont avoir lieu, de manière que le système de perforation puisse y tomber et bien dégager l'extrémité inférieure de la colonne. De plus, si plusieurs perforations doivent être effectuées dans une même zone du puits apres blocage de l'organe d'étanchéité ou packer, on doit utiliser un dispositif de perfo'azion à plusieurs étages espacés les uns des autres par ces sections de tube. L'espacement doit être cnoisi pour que les perforations se produisent aux profondeurs désirées. Ceci complique les opérations de montage du dispositif au bas de la colonne. En outre, du fait de l'allongement plus grand du dispositif de perforation, La longueur de puits supplémentaire à forer pour permettre la chute du canon apres usage est plus grande. Par le brevet francais No 2 544 C13, on connait aussi un dispositif pour amener un outil d'intervention (tel Qu'une sonde de mesure ou un canon de perforation) au fond d'un puits foré comportant une colonne ou tubage pourvue vers son extrémité inférieure d'un organe d'étanchéité expansible ou packer, un élément support pour l'outil, dispose au voisinage de l'extrémité inférieure de la colonne, un élément de liaison souple comportant un câble électrique pour relier l'outil à son eLément support et des moyens de telécommande comportant un câble pourvu d'un connecteur électrique qui peut être descendu tout au long de la colonne jusqu'à venir s'enficher sur un connecteur complémentaire porte par L'éléement support, de manière à transmettre des signaux électriques de commande et/ou des efforts de traction pour assurer le déplacement de l'outil. - 3 - La méthode selon l'invention permet de conduire des opérations de perforation d'un puits tel qu'un puits de forage pétrolier par exemple, dans des conditions qui facilitent les mesures in-situ avant et après les opérations de perforation et le dégagement du puits pour sa mise en production. Elle comporte la descente dans le puits jusqu'à la zone à perforer d'une colonne de section inférieure à celle du puits pourvue vers sa partie inférieure d'un organe d'étanchéité expansible extérieur permettant de clore l'espace annulaire entre le puits et la colonne et d'immobiliser celle-ci, d'un outil de perforation relié par un élément de liaison à un ensemble de support déplaçable à l'intérieur de ladite colonne, lequel ensemble est pourvu de moyens de connexion permettant d'établir une connexion électrique entre ledit élément de liaison et un connecteur électrique descendu depuis une installation de surface a l'extrémité d'un câble de commande. La méthode est caractérisée en ce qu'elle comporte: - l'adjonction d'un ensemble de mesure relié en permanence a l'element de liaison et déplaçable avec l'outil de perforation, et de moyens de fixation détachables par télécommande, permettant la séparation entre ledit élément de liaison et l'outil de perforation, - le déplacement de l'ensemble de mesure dans le puits audessous de ladite colonne par action sur l'élément de liaison et la réalisation de cycles de mesure permettant la détermination d'au moins un emplacement o l'outil de perforation doit être actionné, - le déclenchement de l'outil de perforation à chaque emplacement détermine, la séparation entre l'élément de liaison et l'outil de perforation, et le dégagement de la colonne par remontée de l'ensemble de support et de l'élément de liaison qui lui est attaché. La méthode selon l'invention peut comporter en outre- une étape de mesure de parametres d'état par ledit ensemble de mesure après le déclenchement dudit outil de perforation. Le dispositif selon l'invention comporte une colonne de section inférieure à celle du puits pourvue vers son extremite -4- inférieure d'un organe d'etanchéite expansible extérieur permettant ce clore l'espace annulaire entre Le puits et La colonne et d'immobiliser celle-ci, des moyens moteurs pour descendre La colonne jusque dans la zone a perforer, un outiL de perforation, un ensemble support déplacable à l'intérieur de Ladite colonne, un élément de liaison reliant l'outiL de perforation audit ensemble support, un câble de commande pouvant être déroulé depuis une installation de surface jusqu'audit ensemble de support, des moyens de connexion permettant, à la profondeur déterminee, l'interconnexion du câble de commande à l'outil de perforation par l'intermédiaire dudit element de liaison. Il est caracterisé en ce qu'il comporte en outre - un ensemble de diagraphie relié audit câble de Liaison, permettant, par déplacement de l'ensemble support, de déterminer au moins un emplacement à perforer, et des moyens de fixation amovibles permettant de détacher l'outil ce perforation de l'element de liaison a la fin des opérations de perforation. Le dispositif selon l'invention comporte par exemple des moyens de verrouillage amovibles par telécommande depuis l'installation de surface, pour immobiliser en translation l'element de support par rapport a la colonne en au moins un emplacement de celle-ci. Cet empLacement peut être au-dessus de L'organe d'etanchéite ou bien encore entre l'empLacement de L'organe d'étanchéité et l'extremite inférieu-e de la colonne. Une butée basse peut éventuellement lui être combinée. Le dispositif peut comporter aussi a la fois des moyens de verrouillage amovibles de l'élément support par rapport à la colonne, dans une position haute et une butée solidaire de la colonne servant d'appui à l'élément support dans une position basse de celui-ci, l'élément de support étant déplacable dans la colonne entre ces deux positions. Suivant un mode de réalisation prefére, le dispositif comporte des moyens de mesure des conditions régnant dans la partie du puits au-dessous de l'organe d'etanchéité, telles que la température - 5 - et la pression. Suivant un autre mode de réalisation, le dispositif peut comporter des moyens pour isoler l'une de l'autre par intermittence les parties de la colonne de part et d'autre de l'élément support, de manière à bénéficier durant les opérations de perforation, de la différence de pression régnant de part et d'autre. Le dispositif selon l'invention et sa méthode de mise en oeuvre présentent de nombreux avantages: L'outil de perforation étant déplacable par rapport à la colonne au bout d'un câble de liaison, la portion de puits supplémentaire à forer au-dessous de sa position la plus basse pour permettre sa chute et le dégagement de l'extremité basse de la colonne, est oplus courte qu'avec les systèmes antérieurs. On peut aussi utiliser un outil de perforation à plusieurs charges declenchables sélectivement et ainsi par déplacement de l'outil, réaliser successivement plusieurs perforations à des profondeurs différentes. La mise en oeuvre d'opérations de perforation est bien plus souple qu'avec des canons à charges étagées à des intervalles fixes les uns des autres. Cet avantage est encore accru du fait que l'on peut réaliser des mesures préalables telles que des diagraphies de corrélation, au moyen duquel on situe précisément les profondeurs ou l'outil doit être declenché. Son positionnement est obtenu alors simplement par déplacement de l'ensemble support relativement a la colonne immobilisée dans le puits. L'ensemble de mesure rattaché à l'élément de liaison, permet aussi de faire des diagraphies de production (mesures de température et de pression par exemple) le long de la partie du puits sous la colonne. En outre, l'isolation des parties de la colonne de- par-t et d'autre de l'élément support, permet de bénéficier de la pression généralement inférieure régnant dans la colonne, pour nettoyer les perforations obtenues par le déclenchement de l'outil. D'autres caractéristiques et avantages de la méthode et du -6- dispositif seLon l'invention apparaitront mieux à La lecture de la description ci-après de pLusieurs modes de réalisation décrits a titre d'exemples non Limitatifs, en se référant aux dessins annexes ou: - la Fig.1 montre schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif ou l'instrument de perforation ou canon est connecté à l'ensemble de support correspondant par un câble de liaison; - la fig.2 montre schématiquement un deuxième mode de réalisation ou le même canon est reLié' à son ensemble de support par un elément de liaison tubulaire; - la Fig.3 montre une première étape de La mise en place et de l'ancrage dans un puits de La colonne avec le canon a sa base; - la Fig.4 montre une deuxième étape ou Le canon est connecté à L'installation de surface par un câble de commande; - la Fig.5 montre une troisième etape ou le canon est descendu dans Le puits au-oessous de la colonne; - La Fig.6 montre un troisième mode de réalisation ou L'éLeément de support du canon est verrouillé a la colonne au-dessous du l'organe d'étanchéité et peut sortir de ceLle-ci Lorsque le canon est descendu vers la base du puits; et - La Fig.7 montre un quatrième mode de réalisation ou l'éLement suoport est simplement retenu par une butée basse vers l'extrémité de la colonne. Pour procéder a des cperations de perforation d'un puits (P), on y descend une colonne tubulaire ou tubing 1 pourvu vers son extrémité inférieure d'un organe d'étanchéiteé expansible 2 tel qu'un packer de type connu. Sur commande, il peut être dilaté jusqu'à venir se bloquer contre la paroi au puits et immobiliser la colonne 1. A l'extrémité inférieure de la colonne est adapté un ensemble d'intervention 3 comportant un instrument de perforation ou canon 4 d'un type connu surmonté d'un boitier 5 contenant d'un ensemblè de mesure. La section du boitier 5 est choisie de manière qu'il puisse passer au travers de l'ouverture à La base de La colonne. Le canon 4 comporte une ou plusieurs charges d'explosifs pouvant être déclenchées sélectivement par application d'un signal - 7- électrique de commande. L'ensemble de mesure dans le bottier 5 comporte des moyens d'émissionréception de signaux permettant par exemple de faire des diagraphies de corrélation susceptibles d'être comparées avec des enregistrements obtenus au préalable dans' le puits. Ces moyens comportent par exemple une sonde gamma. L'ensemble de mesure comporte aussi avantageusement des moyens pour faire des diagraphies dites de production permettant de mesurer les valeurs de paramètres tels que la température et la pression des fluides issus des formations environnantes. Le boitier 5 est relié au canon par des moyens de connexion détachables 6. On utilise par exemple des doigts d'ancrage (non représentés) qui s'écartent par action d'un moteur électrique et déconnectent le canon 4 du boitier 5. On peut utiliser aussi des moyens équivalents tels que des boulons explosifs. Dans le mode de réalisation de la Fig.1, le boitier est fixe à une première extrémité d'un câble électro-porteur 7. L'extrémité opposée du câble 7 est connectée, à l'intérieur de la colonne 1, à un élément support 8 de section inférieure à celle de la colonne. Des doigts d'ancrage 9 sont montés pivotants par rapport à l'élément support 8. Sous l'action d'un moteur non représenté, ils peuvent être écartés jusqu'à une position d'ouverture c ils viennent se bloquer dans une rainure 10 ménagee dans la paroi intérieure de la colonne 1. L'élément support comporte, du côté opposé au câble 7, un prolongement tubulaire 11 termine par une colLerette évasée 12. Au centre du prolongement tubulaire 11 et suivant son axe, est disposé une fiche mâle multi-contacts 13. La collerette 12 sert au guidage vers la fiche 13 d'une prise femelle adaptée 14. Celle-ci est connectée aux différents conducteurs d'un câble de commande 15 relié à une installation de surface 16 (Fig.3) comportant des moyens de manoeuvre 17 et un ensemble 18 de commande et d'enregistrement des données captées par l'ensemble de mesure dans le boitier 5. La 'prise femelle 14 est surmontée d'une barre de lestage tubulaire 19 de section sensiblement égale. La prise 14 comporte également des doigts d'ancrage 20 d'un type connu pouvant être écartés par action de moyens - 8 - electro-magnétiques ou d'un moteur électrique. Des encoches 21 pour les doigts 20, sont ménagees dans la paroi intérieure du prolongement tubulaire 11. Les doigts peuvent s'y engager quand la fiche mâle 13 est en position d'enfichage correct. Le verrouillage des doigts 20 permet la translation de l'élément support 8 par traction sur le câble exercés par les moyens de levage en surface. A l'intérieur de l'élément support, des conducteurs (non représentés) assurent l'interconnexion électrique des câbles 7 et 15. Des exemples de connecteurs électriques utilisant ce type de fiche mâle multi-contacts et de prise femelle adaptée, sont décrits par exemple dans le brevet US 4 500 155. Autour de l'élément support 8 est dispose un ensemble de coupelles élastiques 22. La section de colonne 1 ou est creusee la rainure de blocage 10, est pourvue d'une portion de paroi rectifiée 23. En position de blocage de l'eleément support 8 --cresertee a la Fig.1, l'ensemble de coupeLies 22 se trouve au contact de cette portion rectifiée 23 et sépare de facon étanche les parties de colonne de part et d!autre. A l'intérieur de l'élément support 8 est menage un canal de dérivation 24 fermé par une vanne 25 dont l'ouverture peut être télécommandée depuis l'ensemble de commande 18 (Fig.3). Le canaL 24 reLie les deux côtés opposes de l'ensemble de coupelLes 22. Des capteurs de pression peuvent être inclus dans l'element sucpport pour mesurer les pressions régnant de part et d'autre ce L'ensembLe de coupelLes 22. Dans le mode de réalisation de la Fig.1, la section terminale de la colonne 1 est trop étroite pour permettre le passage de l'élément support 8. La course de celui-ci se fait donc entièrement dans la colonne depuis la position haute représentée jusqu'à une position basse délimitée par une butée basse 26. Cette course est adaptée a la latitude de déplacement que l'on veut donner à l'ensemble d'intervention 3. Dans le mode de réalisation de la Fig.2, la section du puits et/ou le packer 2 utilisé, permettent l'emploi d'une colonne sans restriction de diamètre terminal. Dans ce cas, l'élément support 8 peut sortir Librement de la colonne 1 pour suivre la descente de l'ensemble d'intervention 3 vers la base du puits P. La liaison entre le boitier 5 et l'élément support 8 peut être assurée par une liaison rigide telle qu'un tube 27 (cas représenté sur La Fig.2) ou bien encore par un câble comme précédemment. Les opérations de perforation d'un puits avec le dispositif précédemment décrits, se déroulent de la manière suivante: - L'élément de liaison (câble 7 ou tube 27) associe à l'ensemble d'intervention 3 constitué du canon 4 et du boitier 5 de diagraphie, est introduit dans la section terminale de la colonne 1 pourvue d'un packer 2 et raccordé mécaniquement et électriquement à la base de l'élément support 8. Celuici est positionne dans la colonne de manière à pouvoir enclencher les doigts 9 dans la rainure 10 et à placer l'ensemble de coupelles 22 au contact de la portion rectifiée 23. La vanne 25 est fermée. - L'ensemble d'intervention 3 avec son élément de support 8 verrouille dans la colonne 1, est descendu dans le puits et des sections de colonne sont progressivement rajoutes pour l'amener jusqu'à la zone de puits ou les opérations doivent avoir lieu. Le packer 2 est alors ancré par dilatation contre la paroi du puits (Fig.3). - La prise 14 surmontée de sa barre de charge 19, est ensuite descendue dans le puits au bout du câble de commande 15 jusqu'à ce qu'elle s'enficher sur la fiche multi-contacts 13. On commande alors le verrouillage des doigts 20 dans leurs encoches 21. La prise 14 descend dans la colonne par gravité ou bien encore propulsée par un courant de fluide comme indique dans le brevet francais No 2 547 861. - Le puits est le plus souvent rempli d'eau alors que la colonne 1 est partiellement vide. De ce fait, les pressions qui règnent vers sa base de part et d'autre de l'ensemble de coupelles 22 sont inégaLes. On peut d'ailleurs ajuster cette différence en remplissant d'eau plus ou moins la colonne et l'opération est facilitée si l'on a incorporé des capteurs dans l'élement support 8 pour mesurer les pressions régnant de part et d'autre de l'ensemble de coupelles 22. - 10 - La base du puits étant isolée par le blocage du packer 2, on ouvre la vanne 25 de facon à égaliser les pressions de part et d'autre. - On- déverrouille ensuite les doigts 9 qui bloquent l'élément de support 8 en position haute et l'on actionne les moyens de manoeuvre 17 pour descendre l'ensemble d'intervention vers le fond du puits P. - On remonte alors de facon progressive l'ensemble d'intervention 3 et l'on commande depuis l'ensemble 18 en surface, le fonctionnement de la sonde de diagraphie contenue dans le boitier 5. Les enregistrements obtenus sont compares en surface avec d'autres enregistrements précédemment effectues dans la même zone. Par corrélation, on peut retrouver la position ou les positions les plus judicieuses pour effectuer les perforations. - On amene le canon 4 à la profondeur voulue et on déclenche électriquement l'explosion d'une charge. Les capteurs de pression et de température avantageusement inclus dans le boitier 5 permettent de surveiller les resultats de l'explosion. La mise en dépression de la zone basse du puits consécutive a l'ouverture de la vanne 24 (Fig.1) permet de dégager les perforations effectuées par aspiration des déblais hors des formations souterraines. Lorsque plusieurs perforations doivent être effectuées, on amene le canon successivement aux profondeurs reéerees par corrélation et on y déclenche des explosions. Quand les opérations de perforation sont terminées, on Libere la colonne. A cet effet, on détache le canon 4 du boitier d'instruments 5 et l'on actionne les moyens de manoeuvre 18 en surface pour le remonter avec l'élément support 8. Le canon tombe au fond du puits. Suivant le mode de réalisation de la Fig.6, la section terminale de la colonne 1 contenant les moyens de verrouillage 9,10 de l'élément support 8, est ajoutee audessous de la section pomtant le packer d'ancrage 2 et l'élément de liaison choisi (câble 7 ou-tube 27) est adapté à la section de la colonne au niveau du packer 2. Suivant le mode de réalisation de la Fig.7, la colonne est pourvue d'une simple butée basse 28 sur laquelle repose l'élément de - 11 - support 8. L'ensemble d'intervention est en position basse au bout de son élément de liaison 7,27 durant toute la descente vers la zone d'intervention. Son déplacement vertical est assuré apres connexion et verrouillage de la fiche multi-contacts 13 descendue depuis la surface. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en utilisant tel quel le mode de réalisation de la Fig.7 sans intervention d'un câble de commande 15 et donc sans possibilité de le déplacer. L'élément support 8 est dans ce cas pourvu d'une tête d'accrochage et peut être récupérée et remontée jusqu'à la surface par un crochet descendu au bout d'un câble. - 12 - REVENDICATIONS 1) Methode pour conduire des opérations de perforation d'un puits (P) tel qu'un puits de forage pétrolier par exemple, comportant la descente dans le puits jusqu'à la zone à perforer, d'une colonne ( 1) de section plus petite que celle du puits pourvue vers sa partie inférieure et extérieurement d'un organe d'étanchéité expansible (2) permettant de clore l'espace annulaire entre le puits et la colonne et d'immobiliser celle-ci, d'un outil de perforation (4) relié par un élement de liaison (7, 27) à un ensemble support (8) déplaçable a l'intérieur de ladite colonne et pourvu de moyens de connexion (13, 20, 21) permettant d'établir une connexion entre Ledit element de liaison et un connecteur (14) descendu depuis une installation de surface a l'extremite d'un câble de commande (15), caracteésèe en ce qu'elle comporte: - l'adjonction d'un ensemble de mesure(5) relié en permanence à l'élément de liaison (7, 27) et déplacable avec l'outil de perforation (4), et de moyens de fixation (6) detachables par télécommande, permettant la séparation entre ledit élement de liaison et l'outil de perforation, - le déplacement de l'ensemble de mesure dans le puits au-dessous de ladite colonne (1) par action sur l'élément de liaison et la réalisations de cycles de mesure permettant la determination d'au moins un emplacement ou l'outil de perforation doit être actionné, le déclenchement de l'outil de perforation à chaque emplacement détermine, - la séparation entre l'élément de liaison(7,27) et l'outil de perforation(4), et - le dégagement de la colonne par remontée de l'ensemble support(8) et de l'élément de liaison(7,27> qui lui est attaché. 2) Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une étape de mesure de paramètres d'état par ledit ensemble de mesure après le déclenchement dudit outil de - 13 - perforation. 3) Dispositif pour conduire des opérations de perforation d'un puits (P) tel qu'un puits de forage pétrolier par exemple, comportant une colonne (1) de section plus petite que celle du puits pourvue vers son extrémité inférieure et extérieurement d'un organe d'étanchéité expansible permettant de clore l'espace annulaire entre le puits et la colonne et d'immobiliser celle-ci, des moyens de manoeuvre (17) pour descendre la colonne jusque dans la zone à perforer, un outil de perforation (4), un ensemble support(8) déplaçable à l'intérieur de ladite colonne, un élément de liaison (7, 27) reliant l'outil de perforation audit ensemble support, un câble de commande (15) pouvant être déroulé depuis une ir-tallation de surface (16) jusqu'audit ensemble support (8), des moyens de connexion (13, 14, 20, 21) permettant, à la profondeur déterminée, l'interconnexion du câble de commande (15) à l'outil de perforation par l'intermédiaire dudit élément de liaison, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - un ensemble de mesure (5) relié audit élément de liaison, permettant, par déplacement de l'ensemble de support, de déterminer au moins un emplacement à perforer, et - des moyens de fixation amovibles(6) permettant de détacher l'outil de perforation de l'élément de liaison à la fin des opérations de perforation. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de verrouillage (9, 10) amovibles par télécommande depuis l'installation de surface, pour immobiliser en translation l'élément support par rapport à la colonne en au moins un emplacement de celle-ci. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit emplacement est au-dessus de l'organe d'étanchéité (2). 6) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit emplacement est disposé entre l'emplacement de l'organe d'étanchéité et l'extrémité inférieure de la colonne (1). 7) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de verrouillage amovibles (9, 10) de - 14 - L'élément support dans une position haute par rapport à La cotonne et une butée (26) solidaire de la colonne servant d'appui à l'élément support dans une position basse de celui-ci, l'élément de support étant déplacable dans la colonne entre ces deux positions. 8) Dispositif selon la revendication 3, caractérise en ce qu'il comporte une butée d'arrèt(28) pour ledit élément support. 9) Dispositif selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure des conditions régnant dans la partie du puits au-dessous de l'organe d'étanchéité. 10) Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour isoler l'une de l'autre par intermittence les parties de la colonne de part et d'autre de l'éLément support. l1) Dispositif selon la revend7cation 3, caractérise en ce que ledit element de liaison est un câble multi-conduc--:urs (7). 12) Dispositif seLon la revendication 3, caractérise en ce que ledit élément de liaison comoorte un tube rigide (27).