Brevet FR2765619A1 — publié le 19990108

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA COMPLETION DE PUITS POUR LA PRODUCTION D'HYDROCARBURES OU ANALOGUES La présente invention concerne le domaine des services pétroliers et parapétroliers, et plus précisément la complétion des puits de production d'hydrocarbures, puits géothermiques ou analogues. En cours de forage, l'intégrité d'un puits est contrôlée par une boue de forage dont la densité doit être ajustée d'une manière telle que la pression hydraulique de la colonne de boue s'oppose à la production des fluides de formation sans pour autant endommager les formations souterraines par fracturation. Lorsque la hauteur forée dépasse une certaine valeur, la différence de pression due à la différence de profondeur est telle qu'il n'est plus possible de formuler une boue capable de jouer son rôle sur toute la longueur du puits et pour empêcher l'écroulement des parois, le trou doit être chemisé au moyen d'un tubage métallique encore appelé casing. Pour cela, un certain nombre de tubes mis bout à bout sont descendus dans le puits et sont fixés à la paroi par cimentation. Après quoi, le forage peut reprendre jusqu'à la prochaine profondeur critique. Chaque nouveau tronçon foré doit être chemisé par des tubes dont le diamètre extérieur est suffisamment petit pour passer dans les tubes déjà en place aux basses profondeurs. De ce fait, le casing a une structure en escalier avec un trou large en tête de puits et beaucoup plus étroit au fond du puits. En soi, cette configuration n'a rien d'optimale: un large trou en surface signifie une perte de temps dans une zone non productrice alors qu'un trou étroit dans les zones 'payantes' ne favorise pas la production par un bon drainage de la formation. Plus grave encore, il est fréquent que le trou traverse des zones critiques inattendues avant même que le forage n'atteigne une profondeur critique. Ces zones critiques sont par exemple des veines de roches très friables ou des 'poches' de gaz qui, bien qu'elles soient le plus souvent très localisées, sont des grandes sources d'insécurités tant pour le puits que pour les ouvriers travaillant sur le chantier. Dans ces cas, la seule solution est bien souvent de cimenter ces zones par la mise en place immédiate d'un casing, avec pour -2- 2765619 corollaire une nouvelle réduction de la taille du trou qui peut conduire à l'abandon du puits si de nouvelles zones difficiles sont rencontrées par la suite du forage. On conçoit également qu'il est très difficile de réparer un casing endommagé par la pose d'un nouveau casing, sauf à réduire à nouveau substantiellement la taille du trou au risque d'interdire l'entrée de certains outils ou équipements destinés par exemple aux zones de 0o production. Depuis plusieurs années, l'industrie a développé de nouvelles techniques de complétion des puits ou de complétion provisoire afin de minimiser le nombre de 'marches' et d'augmenter le diamètre au fond de puits. On a ainsi proposé d'utiliser un matériau composite constitué par un tissu expansible en fibres de verre imprégné d'une résine époxy non polymérisée et dont la face tournée vers la paroi du trou est recouverte d'une membrane en caoutchouc. Au moyen d'un outil de pose approprié, on applique la membrane contre la paroi du trou ou une partie du casing endommagée et on provoque la polymérisation de la résine par chauffage. La principale difficulté de cette technique est qu'elle nécessite une puissance électrique de l'ordre de 1000 Watt par mètre linéaire ce qui limite son application au traitement de zones relativement courtes. Par ailleurs, un tel casing en matériau synthétique ne peut remplacer définitivement un casing métallique qui doit pouvoir supporter notamment des traitements à base d'acides forts ou autres matériaux particulièrement corrosifs. Dans le brevet US-A-5,348,095 il est proposé d'utiliser comme casing un tube continu en un matériau ductile capable de soutenir une déformation plastique importante. Le tube est élargi par un outil conique et peut éventuellement être cimenté. L'expansion du tube s'accompagne toutefois d'une réduction de la longueur totale du tube ce qui peut créer des problèmes d'interface aux extrémités. De plus, la pression requise pour l'expansion du tube est très élevée. Par ailleurs, le brevet US-A-5,366,012 propose un liner perforé pourvu de fentes longitudinales se chevauchant. Au moyen d'un mandrin dont le grand diamètre est supérieur au diamètre intérieur du liner perforé, on dilate la paroi du liner et les orifices s'agrandissent. Un ciment renforcé par des fibres peut ensuite être coulé de part et d'autre du liner et lorsque le ciment est pris, l'intérieur du liner est à nouveau foré laissant ainsi un casing en fibro-ciment renforcé par une armature métallique. La nécessité d'un nouveau forage après cimentation constitue un inconvénient majeur de cette technique. De plus, comme dans le cas précédemment cité, les pressions requises pour l'expansion du tube 3 2765619 sont assez élevées et la longueur finale du liner est réduite. Enfin, les fentes doivent être percées en suivant des spécifications bien précises ce qui conduit à un coût de fabrication élevé. La présente invention, a pour but un nouveau type de casing expansible qui ne présente pas les inconvénients précités de l'art. Ce but est atteint selon l'invention par un liner pour la complétion d'un trou dans une formation souterraine qui est constitué par une bande enroulée en spirale selon une section transversale spiralée, les bords longitudinaux ayant des profils jointifs complémentaires tels qu'après expansion, le liner présente une section circulaire. Pour compléter un puits, on descend le tube en spirale au fond du trou et l'on vient écarter les parois au moyen d'un outil de placement, par exemple conique, de façon à placer les bords longitudinaux en position jointive pour former un cylindre. On obtient un liner continu fermé qui peut être cimenté de façon conventionnelle sans que le ciment n'envahisse la partie intérieure du liner et donc sans qu'il ne soit nécessaire de forer dans le casing. A noter que le casing spiralé selon l'invention est tout particulièrement adapté à la cimentation des puits horizontaux ou multi-latéraux en raison de son petit diamètre à l'état contracté qui se prête bien à une mise en place dans des puits étroits ou dont la trajectoire ne favorise pas la descente des casings traditionnels. Le liner selon l'invention est également bien adapté à des complétions provisoires de zones à problèmes. Dans ce cas, le trou pourra éventuellement être élargi dans la zone délicate et un liner spiralé dont le diamètre après expansion est voisin du diamètre du trou avant élargissement est mis en place et cimenté. Après quoi, le forage peut reprendre et toute la colonne, y compris la zone déjà complétée est complétée de façon traditionnelle. Le casing spiralé selon l'invention peut également être utilisé pour la réparation de casing endommagé car son diamètre extérieur après expansion peut être choisi égal ou très légèrement inférieur au diamètre intérieur du casing déjà en place. La bande spiralée a de préférence des bords longitudinaux biseautés qui définissent une surface de contact dont la direction générale est dans un plan formant un angle non nul par rapport à l'axe longitudinal du liner. De préférence encore, les bords longitudinaux ont une section dentée pour permettre un accrochage mécanique selon un diamètre prédéterminé. 4 2765619 Dans une variante plus spécialement préférée de l'invention, le liner est obtenu en roulant une bande selon un axe formant un certain angle par rapport à l'axe de symétrie de la bande. Dans ce cas, à l'état contracté, le liner a des bords qui forment une double hélice autour du cylindre. Si la période de l'hélice est correctement choisie, on obtient alors une figure géométrique dont la longueur n'est pas modifiée par l'expansion. Le liner selon l'invention peut être enroulé selon sa longueur autour d'un touret, selon les techniques dites de tubes enroulés ou "coiled tubing". Pour compléter des sections longues, on peut souder différentes feuilles, soit au moment même de la fabrication du liner; cette technique étant préférée en cas d'utilisation de la technique du "coiled tubing", soit directement sur le chantier. s5 Le liner selon l'invention peut être réalisé en métal, par exemple en acier ou tout autre matériau ayant l'élasticité et la plasticité souhaitée. A noter que si le choix porte sur un matériau suffisamment élastique, et à la condition de ne pas avoir été cimenté, le liner selon l'invention peut éventuellement être retiré ce qui permet des placements provisoires. D'autres détails et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortent de la description faite ci-après en référence aux figures qui représentent: * Figure 1: une vue schématique d'un premier exemple de réalisation d'un liner selon l'invention avant et après expansion vu en perspective (Fig. la et Fig. lb) et de côté (Fig. la' et Fig. lb'); * Figure 2: un outil d'expansion; * Figure 3: un exemple d'accrochage mécanique avec des bords dentés (Fig. 3a à 3d) et quelques variantes de profils dentés (Fig. 3e); * Figure 4: une vue en perpective d'un liner à l'état contracté comportant des bords longitudinaux à sections dentées; * Figure 5: un liner selon l'invention comportant des bords longitudinaux constituant une double spirale, vu en perspective à l'état contracté (Fig. 5a) et après expansion (Fig. 5b) et en coupe longitudinale (Fig. 5c); * Figure 6: un exemple de complétion provisoire avec un liner selon l'invention; * Figure 7: une séquence typique de complétion d'une zone productrice; * Figure 8: une variante d'un liner selon l'invention perforé équipé d'un tamis à sable. Le concept de l'invention est illustré figure 1. Une bande, par exemple en métal, est enroulée en spirale (Fig. la et la') avec un recouvrement selon en angle A. Après 2765619 expansion, le liner a une section circulaire et les bords longitudinaux sont en contact pour constituer une surface périphérique fermée. Si l'enroulement est effectué conformément à une spirale d'Archimède, en notant e l'épaisseur de la bande et Dc le pseudo-diamètre de la bande spiralée contractée, la valeur de De le diamètre après expansion est fournie par l'équation: 1o D)e=Dc 1+ A) l+43r+A e 2ir L2 4i (4ir) o A, l'angle de recouvrement est exprimé en radian et les longueurs De, Dc et e sont exprimées dans la même unité. Avec un recouvrement de 90 comme figuré en la, un liner d'un diamètre extérieur de 17,8 cm (7 pouces) et de 9,5 mm (3/8 de pouce) est contracté à un diamètre Dc de 14,9 cm (5,86 pouces). Pour un recouvrement de 180 , l'expansion est proche de 50%. L'outil d'expansion du liner selon l'invention peut être par exemple constitué par un ensemble bi-conique tel que schématisé figure 2 qui comporte une première extrémité 10 apte à être fixée à l'extrémité d'un tube enroulé ou d'un train de tiges et une deuxième extrémité 11 dont le diamètre est voisin du diamètre du liner spiralé à l'état contracté qui permet de pousser le liner spiralé jusqu'à la zone à compléter. L'outil d'expansion comporte par ailleurs une zone renflée 12 dont le diamètre extérieur est voisin du diamètre intérieur du liner après expansion. De préférence, cette zone renflée 12 peut être au moins partiellement rétractée par des moyens commandés à distance tels que pression hydraulique, moyens mécaniques ou une combinaison de ces moyens comme il est d'usage pour les outils de placements utilisés dans les puits. Dans une variante de l'invention illustrée figure 3, les bords longitudinaux complémentaires sont dentés de façon à former un verrou mécanique. Comme on peut le voir plus spécialement figures 3a à 3d, un bord denté, ici avec 3 dents, permet un accrochage efficace. On note par ailleurs que les bords longitudinaux ont une surface de contact orientée selon --> une direction générale D qui forme un angle non nul par rapport à la normale à l'axe longitudinal du liner. Un angle voisin de 45 et plus généralement compris entre 30 et 60 est généralement préféré. -6- D'autres variantes de profils dentés sont présentées figure 3e. On peut augmenter ou au contraire diminuer le nombre de dents ou choisir des profils plus carrés pour un assemblage plus proche d'un type tenon et mortaise. Dans tous les cas présentés figure 3, les bords dentés suivent une direction générale D qui forment un certain angle avec la normale à l'axe longitudinal du liner. Le profil choisi est de préférence tel qu'il minimise les forces de frottement radiales qui tendent à s'opposer au glissement des deux parties complémentaires. Comme représenté figure 3e, les forces élastiques Fa et Fb résultantes de l'expansion du liner spiralé créent des forces de frottement radiales Fc et Fd qui tendent à écarter les bords. Cette force de séparation peut être minimisée voire annulée par une optimisation de la forme des dents. Les forces Fa et Fb qui concourent au verrouillage du liner sont directement proportionnelles à l'angle de recouvrement A du liner en position contractée. Toutefois, un recouvrement trop important tend également à augmenter les forces radiales de sorte qu'un équilibre doit être trouvé entre le coefficient d'expansion souhaité et le verrouillage mécanique. L'expansion du liner s'effectue en suivant la forme d'un cône dont les dimensions dépendent essentiellement de la géométrie du liner spiralé et de son élasticité et dans une plus faible mesure, de l'angle d'ouverture de l'outil d'expansion conique. Pour limiter les forces de frottements, il peut être avantageux de choisir pour l'outil d'expansion un cone dont l'angle d'ouverture est voisin du cône d'expansion 'naturelle' du liner spiralé. Comme montré plus particulièrement figure 4, l'axe des dentures d'accrochage forme un angle B avec l'axe du tube en spirale. Cet angle B a une valeur optimale comprise entre l'angle de cône d'expansion 'naturelle' du liner et zéro mais la valeur nulle est admissible. La figure 5 illustre une variante plus particulièrement préférée de l'invention selon laquelle le liner est obtenu en roulant une bande selon un axe formant un certain angle par rapport à l'axe de symétrie de la bande. En position contractée (figure 5a), les bords forment une double hélice autour du liner. Après expansion (figure 5b), les deux hélices fusionnent et la ligne de jonction est enroulée de façon hélicoïidale autour du liner. Un aspect tout particulièrement avantageux de cette géométrie tient à ce que l'expansion peut être réalisée sans modification de la longueur X du liner. Si, comme indiqué figure Sc, on note Dc et De le 'diamètre' du liner (avec un indice c pour les longueurs correspondant au liner à l'état contracté et un indice e pour le liner expansé), Hc et He les périodes des -7- s courbes hélicoïdales suivies par les bords longitudinaux [la période d'une hélice étant défminie comme la distance, mesurée selon l'axe longitudinal du liner entre deux points correspondants à un tour complet autour du cylindre de diamètre Dc (ou respectivement De)] et L la longueur d'un bord longitudinal pour un liner dont la longueur totale est de X., on peut montrer que la longueur L est égale à: L= X 1+ De Dc a1nuu s et que par conséquent si l'on choisit un enroulement tel que H' =, la longueur X est H, H,' fixe. Avec cette configuration en double hélice, on note également que si la bande constituant le liner a une épaisseur W, alors le diamètre après expansion est fournie par l'équation WL D, = - Enfin, une autre conséquence de cette géométrie est que tout point de la surface du liner se déplace dans un plan perpendiculaire à l'axe du liner lors de la phase d'expansion. Si les extrémités du liner en double- hélice sont coupées perpendiculairement à l'axe longitudinal, après expansion, ces extrémités vont définir des cercles parfaits dans des plans eux-mêmes perpendiculaires à l'axe longitudinal du liner. Cette disposition est tout particulièrement favorable pour assurer l'étanchéité de la complétion aux extrémités du liner. Les figures 6 et 7 représentent très schématiquement deux exemples de complétion avec un liner spiralé selon l'invention, étant entendu que ces exemples ne sauraient avoir de caractère limitatif. Dans le cas illustré figure 6, le tube spiralé est utilisé pour compléter provisoirement une zone. Dans un puits en eau profonde, le problème peut être dû à une trop faible différence entre le gradient de fracturation et la pression de la formation. Il peut encore s'agir de problèmes liés par exemple à la présence de formations très instables (roche argileuse, sables, sels etc.) de zones de déplétion ou autres problèmes bien connus de l'homme de l'art. L'impact financier de telles zones est généralement sans commune mesure avec leur longueur car leur complétion anticipée entraîne la mise en place d'un casing supplémentaire et une réduction du diamètre du trou. -8- 2765619 Le puits a été foré et un tubage a été posé dans la partie supérieure 1. On a alors repris le forage sous le sabot de tubage 2 pour percer un trou substantiellement cylindrique 3, non tubé puis on atteint une zone 4 de longueur Lz qui doit être immédiatement traitée (fig. 6a). On décide alors de procéder à une complétion provisoire avec un liner selon l'invention. Un liner spiralé 5 est poussé vers le fond du puits au moyen d'un outil bi- 1o conique d'expansion 6 fixé à l'extrémité d'un tube 7. On continue à faire progresser l'outil d'expansion (fig. 6b) pour écarter les parois du liner jusqu'à un diamètre prédéfini (fig. 6c). Le liner en place (fig. 6d), l'outil d'expansion est remonté en surface et on procède à la cimentation du liner selon les techniques dites de complétion par colonne perdue (fig. 6e). Dans le cas ici représenté, le liner est muni d'ouvertures 8 pour le passage du ciment de l'intérieur du liner vers l'annulaire à cimenter 9 mais il est clair qu'un sabot de cimentation peut être utilisé. Après expansion, le diamètre intérieur du liner est pratiquement identique au diamètre du trou dans les zones ne posant pas de problèmes de forage (si besoin est, le trou est agrandi dans la zone à traiter au moyen d'un élargisseur). Le forage peut alors reprendre, sans devoir forer au travers d'une zone cimentée et l'ensemble du puits peut être complété conformément au plan de forage, sans réduction du diamètre du puits. Il est clair que des outils complémentaires tels qu'un centreur peuvent être utilisés en combinaison avec le liner selon l'invention. Par ailleurs, le liner sera de préférence équipé de pièces d'extrémités réalisées en matériau aisément déformable et facile à percer (par exemple en aluminium) de façon à garantir que le liner spiralé est bien expansé sur toute sa longueur. Une séquence typique d'utilisation du liner spiralé selon l'invention pour la complétion d'une section d'un réservoir est représentée figure 7. Une telle opération peut être envisagée par exemple avec des formations instables ou sableuses. Le liner spiralé selon l'invention est amené à l'état contracté jusqu'à la section non tubée du réservoir (fig. 7a) puis il est expansé au moyen d'un outil d'expansion (fig. 7b et 7c). Comme tout liner de production, le liner selon l'invention est ici percé pour le passage des fluides de production et, comme représenté figure 8, il sera de préférence revêtu d'une grille, qui peut être fixée par exemple par soudure à la bande avant son enroulement en spirale. La grille est de préférence sur la face externe du liner, tournée vers la paroi. 9 2765619 A noter que la surface de la bande enroulée reste inchangée au cours de l'expansion de sorte que les soudures ne sont pas fragilisées par la mise en place et l'expansion du liner spiralé selon l'invention. Pour cette même raison, la taille et la distribution des ouvertures prévues pour le passage des fluides de production peuvent être choisies de manière parfaitement indépendante des diamètres à l'état contracté et expansé. Ceci permet 1o notamment d'obtenir un liner très résistant pour une plus grande stabilité et pérennité du puits. Dans le cas de puits horizontaux, le liner spiralé selon l'invention est tout particulièrement avantageux car il peut être placé au plus près de la formation même dans sa partie haute ce qui ne peut être le cas avec un liner traditionnel non contractable. Lorsqu'il n'est pas cimenté, le liner spiralé peut être retiré au moyen d'un outil spécial qui va écarter les bords longitudinaux de façon à permettre au liner de s'enrouler à nouveau sur lui-même pour retrouver un état voisin de son état contracté initial. Si ce retrait n'est envisagé qu'après par exemple plusieurs mois ou plusieurs années, on veillera à utiliser un matériau capable de conserver ses propriétés élastiques pendant une aussi longue durée. La géométrie du liner spiralé selon l'invention est parfaitement compatible avec une production de masse à faible coût. On pourra par exemple utiliser des bandes métalliques (si besoin est, soudées les unes aux autres) qui seront percées selon un arrangement prédéfini par exemple par des emporte-pièces montés sur rouleaux ou par une presse hydraulique avec pointeau. Les bords longitudinaux sont de préférence rectifiés en continu pour leur conférer un profil denté, de même que les grilles peuvent être soudées au moins le long des bords longitudinaux avant l'enroulement en spirale. Enfin la bande pourra être directement enroulée en spiralée puis embobinée toujours en continu ou coupée selon des tronçons de longueurs fixes. De façon générale, un déploiement du liner selon l'invention à partir d'une bobine est préféré car plus économique dès lors que la section à compléter est longue et plus sûr car on supprime des connexions. Néanmoins, on peut également utiliser des liners de longueurs fixes et opérer la complétion d'une zone par des placements et expansions répétés. -1o- 2765619 s Revendications 1. Liner pour la complétion d'un trou dans une formation souterraine qui est constitué par une bande enroulée en spirale, les bords longitudinaux ayant des profils jointifs complémentaires tels qu'après expansion, le liner a une section circulaire. 2. Liner selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bords longitudinaux définissent une surface de contact dont la direction générale D est dans un plan formant un angle non nul par rapport à l'axe longitudinal du liner. 3. Liner selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit angle formé par la direction générale D de la surface de contact est compris entre 30 et 60 . 4. Liner selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bords longitudinaux jointifs ont un profil en dents de scie. 5. Liner selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liner est obtenu en roulant une bande selon un axe formant un certain angle par rapport à l'axe de symétrie de la bande. 6. Liner selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est muni d'ouvertures. 7. Liner selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est revêtu d'une grille. 8. Liner selon la revendication 7, caractérisé en ce que la grille est soudée. a 9. Procédé de complétion d'un trou dans une formation souterraine selon lequel on descend dans le trou une bande enroulée en spirale et on ouvre la bande jusqu'à l'obtention d'une section circulaire au moyen d'un outil de placement conique pour placer les bords longitudinaux en position jointive. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en qu'il comporte également une opération de cimentation. 11. Application du procédé selon l'une des revendications 9 à 10 à la complétion provisoire de zones déplétées ou non consolidées. -11- s 12. Application du procédé selon l'une des revendications 9 à 10 à la réparation d'un casing. 13. Application du procédé selon la revendication 9 à la complétion de zone de production. 14. Système adapté à la complétion d'un trou dans une formation souterraine, caractérisé en ce qu'il comporte un liner selon l'une quelconque des revendications I à 8 et un outil d'expansion propre à écarter les bords longitudinaux jusqu'à ce qu'ils se placent en position jointives bord à bord. 15. Outil de retrait d'un liner selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comportant des moyens pour écarter les bords longitudinaux selon un diamètre supérieur au diamètre correspondant à une section circulaire et permettre au liner de se rétracter pour retrouver un enroulement en spirale selon un diamètre suffisamment petit pour permettre l'extraction du liner hors du puits.