Brevet FR2663679A1 — publié le 19911227

DISPOSITIF ANTI-ROTATION POUR BOUCHONS DE CIMENTATION A LEVRES PERIPHERIQUES DEFORMABLES La présente invention concerne La technique de forage et de mise en exploitation de puits pétroliers ou analogues et dans cette technique, elle a principalement pour objet la phase consistant à réaliser l'opération dite de cimentation. L'opération de forage et de mise en exploitation d'un puits s'effectue par tranches successives et consiste à garnir intérieurement le puits foré d'un cuvelage Pour chaque tranche de forage, le cuvelage est équipé en partie basse d'un manchon de retenue généralement pourvu d'un clapet anti-retour interne. Au départ, le cuvelage muni de son clapet anti-retour est descendu dans le puits qui est rempli de boue de forage Le cuvelage est à cet instant aussi rempli de boue de forage. La première opération de cimentation consiste à faire circuler pendant un certain temps la boue de forage de façon à bien nettoyer l'espace annulaire de tous les débris de forage pouvant s'y trouver. Ensuite, un ou des bouchons inférieurs (bottom plug) sont lancés de la surface et sont poussés vers le bas par du laitier de ciment ou des fluides de nettoyage (chemical wash) ou des fluides tampons (spacers) fournis sous pression. De tels bouchons ont été décrits dans la demande EP-377 255 et dans la demande FR-90 08 139 intitulée "Bouchons de cimentation de puits notamment pétroliers et analogues, ensemble de bouchons pour l'exécution d'une opération de cimentation et équipement en faisant application". Lorsque la quantité de laitier de ciment, calculée pour garnir une certaine hauteur de l'espace annulaire entre le cuvelage et la roche, a été injectée, un bouchon supérieur (top plug) est lancé en étant poussé par un fluide de déplacement (généralement de la boue). Le laitier de ciment se trouve emprisonné entre le ou les bouchons inférieurs et le bouchon supérieur dont le rôle est d'empêcher Le mélange du laitier avec les fluides amont et aval et aussi de râcler l'intérieur du cuvelage de façon à éviter de laisser un dépôt sur la paroi interne. Lorsque le(s) bouchon(s) inférieur(s) arrivent en contact avec le clapet de retenue, une surpression générée à la surface déchire la membrane du ou des bouchons inférieurs permettant ainsi le passage du laitier de ciment vers l'espace annulaire entre le cuvelage et la formation rocheuse forée. Le bouchon supérieur continue à descendre et arrive finalement en contact avec le ou les bouchons inférieurs en appui sur la face supérieure du manchon de retenue. Généralement, à ce moment, un essai en pression du cuvelage est effectué L'empilage des bouchons doit supporter cette pression. Ensuite, la pression est relâchée et le clapet de retenue empêche le retour du laitier à l'intérieur du cuvelage. Si le clapet de retenue ne fonctionne pas normalement, une pression suffisante est maintenue à l'intérieur du cuvelage depuis la surface pour plaquer les bouchons sur l'épaulement du manchon de retenue. Cette pression est maintenue pendant la durée nécessaire à la prise du laitier de ciment. Après la prise du ciment, il est nécessaire de procéder au forage des bouchons par l'intermédiaire d'un outil de forage, de manière à reprendre l'opération de forage pour une nouvelle tranche en profondeur. L'exécution de l'opération de forage des bouchons pose un certain nombre de problèmes qu'il conviendrait de pouvoir éliminer pour assurer un déroulement convenable de l'opération de forage proprement dite, notamment réduire le temps de ce forage des bouchons. La mise en oeuvre de bouchons à lèvres périphériques déformables implique de les réaliser à partir d'un corps ou noyau interne pourvu d'un revêtement en un matériau élastomère adhérant fortement au noyau et formant les lèvres périphériques déformables. Lorsqu'il convient de percer de tels bouchons, l'outil de forage devant être utilisé possède nécessairement au niveau de sa tête de travail un diamètre légèrement inférieur au diamètre interne du cuvelage. Il s'ensuit donc que nécessairement l'opération de forage laisse subsister en périphérie une couronne de matériau élastomère formant une sorte d'anneau qui se referme derrière l'outil de forage au fur et à mesure de la progression de ce dernier. Un tel anneau en un matériau élastomère établit une sorte d'étanchéité relative derrière l'outil de forage, provoque un échauffement important de l'ensemble et surtout s'oppose à la bonne circulation et remontée du fluide utilisé pour favoriser l'opération de forage. Pour tenter d'éliminer le problème général ainsi posé, il est nécessaire de soumettre l'outil de forage à des mouvements aller et retour verticaux concomitamment à l'entraînement en rotation et d'exercer des pressions de forage très élevées. Outre la difficulté de réaliser un forage convenable des bouchons dans des conditions ci-dessus, il faut noter qu'un second problème est celui de la tendance à la rotation du bouchon attaqué par l'outil Cette rotation s'oppose à un perçage efficace et vient encore compliquer l'opération qui a déjà tendance à être difficilement et délicatement exécutée en raison de l'existence de l'anneau en matériau élastomère. De plus, les problèmes ci-dessus augmentent la durée de forage des bouchons, qui est un paramètre économique extrêmement important. En vue d'apporter une solution au problème ci-dessus, la technique antérieure a proposé par le brevet US-A-4 858 687 de munir les bouchons inférieur et supérieur de crans de direction radiale ménagés sur les faces transversales Cette disposition, qui demande à être prévue aussi sur l'épaulement du manchon de retenue, implique de recourir à une fabrication spéciale qui grève notablement le coût des bouchons et du manchon de retenue sans apporter une efficacité certaine dans tous les cas. La présente invention vise à remédier au problème ci-dessus en proposant un nouveau dispositif anti-rotation conçu pour faciliter le perçage des bouchons de cimentation utilisé pour le forage de puits, de préférence mais non exclusivement pétroliers ou analogues. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, le dispositif anti-rotation pour bouchons de cimentation à lèvres périphériques déformables est caractérisé en ce qu'il comprend une partie tubulaire: destinée à être interposée entre l'élément extrême bas d'un cuvelage et le manchon de retenue inférieur, réalisée en un matériau à fort coefficient de frottement et facilement forable par un outil de forage, délimitant, à partir de son ouverture supérieure, un convergent interne aboutissant à une section droite de diamètre sensiblement égal ou inférieur à celui des bouchons à l'état précontraint des lèvres, et présentant, à partir de ladite section, un alésage de même diamètre que cette dernière et s'étendant sur une longueur axiale au moins égale à celle occupée par au moins deux bouchons en contact bout à bout. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig 1 est une coupe élévation du dispositif selon l'invention. La fig 2 est une coupe-élévation illustrant l'opération de forage des bouchons par l'intermédiaire du dispositif anti-rotation. La fig 3 est une coupe-élévation partielle mettant en évidence un détail de réalisation. La fig 4 est une coupe-élévation analogue à la fig 1 illustrant une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention. La fig 1 montre un premier exemple de réalisation du dispositif antirotation selon l'invention, destiné à être adapté à la base d'un cuvelage 1 et plus particulièrement à l'extrémité inférieure de l'élément tubulaire bas Le dispositif de l'invention, désigné dans son ensemble par la référence 2, est destiné à être interposé entre l'élément tubulaire 1 et un manchon de retenue 3 généralement pourvu intérieurement, dans la technique traditionnelle, d'un clapet anti-retour 4 dont le corps 5 est enrobé dans un remplissage de matériau 6 aisément forable. Dans l'exemple illustré, le dispositif 2 est constitué par un segment de cuvelage 7 conçu pour être assemblé par les moyens traditionnels, d'une part, sur un manchon 8 d'accouplement avec l'élément tubulaire 1 et, d'autre part, sur ou dans le collet 9 du manchon de retenue 3 Le segment 7 est, dans cet exemple, de préférence, constitué par un segment d'élément tubulaire 1 utilisé pour constituer le cuvelage. Le segment 7 est garni intérieurement d'une chemise 10 réalisée en un matériau à fort coefficient de frottement et forable aisément par un outil de forage traditionnel A titre d'exemple préféré, un tel matériau est, par exemple, constitué par du ciment. La chemise 10 est réalisée de manière à délimiter, à partir de l'ouverture supérieure 7 a du segment 7, un convergent 11 aboutissant à une section droite-transversale 12 dont le diamètre est sensiblement égal ou même inférieur à celui des bouchons inférieur 13 et supérieur 14, le diamètre de référence étant celui correspondant à l'état précontraint des Lèvres périphériques déformables La chemise 10 présente, ensuite, à partir de la section droite 12, un alésage 15 constant, de diamètre régulier, égal à celui de la section 12 L'alésage 15 s'étend sur une longueur axiale qui est au moins égale à celle occupée par au moins deux bouchons, tels que 13 et 14 placés en contact bout à bout. Lors de l'opération de cimentation, telle que rappelée ci-dessus, le bouchon inférieur 13 est initialement lancé dans le tube 1 et se trouve forcé par le fluide sous pression amont à pénétrer dans le convergent 11 o il est guidé selon une trajectoire axiale l'introduisant dans l'alésage 15 o il subit une contrainte de déformation des lèvres périphériques qu'il comporte Le bouchon 13 est ainsi astreint à progresser à l'intérieur de l'alésage 15 jusque dans la position de butée en appui contre l'épaulement 16 que forme le clapet anti-retour 4. Après l'opération de cimentation, le bouchon supérieur 14 est lancé de semblable manière pour être guidé en pénétration axiale dans l'alésage 15 par le convergent 11 Le bouchon 14 subit la même contrainte de déformation des lèvres périphériques et se trouve conduit dans l'alésage 15 jusqu'en butée contre le bouchon inférieur 13. Dans cette situation, telle qu'illustrée par la fig 2, les deux bouchons 13 et 14 sont immobilisés axialement et angulairement par la contrainte de serrage qui leur est appliquée périphériquement à la suite de leur pénétration forcée à l'intérieur de l'alésage 15. Une opération de forage peut ensuite intervenir par un outil de forage 20, comme illustré à la fig 2, montrant que la pénétration de cet outil a pour effet d'attaquer la chemise 10 sur un diamètre supérieur à celui des bouchons 14 et 13 successivement. De cette manière, le forage s'effectue en totalité sur le diamètre des bouchons précontraints et fait disparaître l'existence de l'anneau en matériau élastomère subsistant dans l'opération de forage traditionnel De cette manière, l'outil de forage n'est pas entravé dans sa libre rotation, de même que les boues ou autres fluides de forage peuvent être amenés à circuler normalement et à remonter pour dégager les débris forés au fur et à mesure de l'avance de l'outil de forage. Une rotation intempestive des bouchons 14 et 13 ne peut aucunement intervenir en raison de la précontrainte radiale qui leur est appliquée initialement lors de leur introduction forcée dans l'alésage 15. Pour faciliter l'ancrage des bouchons 14 et 13, il peut être avantageusement prévu de réaliser la chemise 10 pour lui faire comporter au moins, sur une partie de la périphérie interne de l'alésage 15, des empreintes 21 successives négatives et positives, par exemple du type en dents de scie, constituant des dentures 22 d'arcboutement s'opposant, d'une part à la rotation des bouchons 14 et 13, et d'autre part, à leur déplacement axial, dès lors qu'ils ont été introduits de façon forcée dans l'alésage en butée contre l'épaulement 16 (Fig 3). Il convient de noter que la contrainte radiale maximale imposée aux bouchons 14 et 13 a pour effet d'établir une étanchéité basse parfaite avec le manchon de retenue 3. Un autre avantage du dispositif de l'invention consiste dans la présence du convergent 11 qui assure un guidage des bouchons 13 et 14 pour leur conférer une orientation axiale facilitant leur introduction dans l'alésage 15 Tout risque de coincement d'un bouchon est donc éliminé. Un tel guidage axial certain permet d'assurer un contact bout à bout transversal convenablement établi entre les bouchons 13 et 14, ce qui améliore encore l'étanchéité basse qu'ils assurent préalablement à l'opération de forage. La fig 4 montre une variante de réalisation selon laquelle la partie tubulaire formant la chemise 10 fait partie intégrante du manchon de retenue 3 qui comporte, à cet effet, un prolongement tubulaire 30 s'élevant vers le haut et possédant, à son extrémité supérieure, un moyen 31 de liaison directe avec l'élément tubulaire 1 Dans un tel exemple de réalisation, la chemise 10 est formée intérieurement au prolongement tubulaire 30 et peut faire partie intégrante du garnissage 6 du clapet 4 en s'élevant, notamment, à partir de l'épaulement 16. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 Dispositif anti-rotation pour bouchons de cimentation à lèvres périphériques déformables, utilisés pour la mise en exploitation de puits pétroliers ou analogues, caractérisé en ce qu'il comprend une partie tubulaire: destinée à être interposée entre l'élément extrême bas d'un cuvelage ( 1) et le manchon de retenue inférieur ( 3), réalisée en un matériau à fort coefficient de frottement et facilement forable par un outil de forage, délimitant, à partir de son ouverture supérieure ( 7 a), un convergent interne ( 11) aboutissant à une section droite ( 12) de diamètre sensiblement égal ou inférieur à celui des bouchons ( 13, 14) à l'état précontraint des lèvres, et présentant, à partir de ladite section, un alésage ( 15) de même diamètre que cette dernière, s'étendant sur une longueur axiale au moins égale à celle occupée par au moins deux bouchons en contact bout à bout. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie tubulaire est constituée par un segment de tube ( 7) garni intérieurement d'une chemise ( 10) en un matériau à fort coéfficent de frottement et perçable par un outil de forage. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le segment de tube ( 7) est indépendant du cuvelage ( 1) et du manchon ( 3). 4 Dispositif selon La revendication 2, caractérisé en ce que le segment de tube ( 7) fait partie intégrante du manchon qu'il prolonge vers le haut en formant une partie femelle de liaison. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que Le segment de tube ( 7) pro Longe vers Le haut un manchon de retenue ( 3) et en ce que La chemise ( 10) s'éLève à partir d'un épaulement interne de butée ( 16). 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le segment de tube ( 7) est garni intérieurement d'une chemise ( 10) en un matériau à fort coefficient de frottement et forable par un outil de forage, enrobant, en dessous d'un épaulement de butée ( 16), le corps tubulaire ( 5) d'un clapet de non-retour ( 4). 7 Dispositif selon l'une des revendications 1, 2 ou 6, caractérisé en ce que la chemise ( 10) comporte dans la surface interne de l'a Lésage des empreintes négatives et positives ( 21). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les empreintes ( 21) sont constituées par des dentures annulaires ( 22) d'arcboutement vers l'ouverture supérieure et destinées à constituer des butées pour les Lèvres précontraintes des bouchons engagés dans l'a Lésage.