Brevet FR2988768A1 — publié le 20131004

Schéma général de l'operation: - Usage d'un jeu de tubes pré-équipés à descendre dans le puits à une profondeur appropriée, - Séquence d'un ensemble d'actions contrôlées pour bloquer et verrouiller le puits afin de réduire 90 à 95% les fuites à sa tête (par mesure de sécurité, il est ici mentionné une réduction de 90 à 95% ; en cas d'éventuelles fuites résiduelles à hauteur de 5 à 10%, aussi improbable qu'elles puissent être, un second jeu aura été inclus dans le train de tubes, afin de répéter l'opération et d'atteindre au moins 99,75% de réduction des fuites, - Mise en oeuvre par un équipement et une équipe déjà en opération sur la zone de l'accident, sous inspection homologue, - Fenêtre de l'opération : sous deux heures sur site, après deux à trios jours de préparation / logistique, - Sécurité des équipements et de la logistique : suivant les plus strictes normes en vigueur. Résumé : Ce memo met en exergue les pré-requis et prépare les opérations préparatoires à la mise en oeuvre. Puis, il décrit le procédé lui-même et présente le détail des jeux de tubes d'accrochage ainsi que les jeux de tubes de blocage. 2 2988768 1 - Pré-requis : Dans le but de pouvoir ajuster les paramètres nécessaires des outils, les données du puits (well log) doivent avoir été obtenues auparavant. Parmi d'autres, il est ainsi requis 5 d'obtenir : - Les caractéristiques réelles des couches traversées (requises pour ajuster les charges énergétiques appropriées) ainsi que l'épaisseur réelle des différentes couches rencontrées (appelons-les ci-après les "Couches de Niveau Supérieur"), - Le diamètre réel interne du puits au pied du tubage de façon à pouvoir, ainsi, calculer 10 l'écart entre la paroi intérieure du tubage et les tubes, - La pression réelle mesurée dans le puits (estimée par défaut à un maximum de 70.000 PSI, soit 4.825 bars), - Les tailles de tubes disponibles (diamètre extérieur et épaisseur), excepté si l'opérateur est lui-même en charge de les approvisionner et de les transporter, 15 - Les cartographies du sous-sol dans les environs de la tête de puits. Ces données doivent avoir été fournies pour que l'opération d'obturation puisse être initiée. 20 2 - Préparation de la mise en oeuvre du procédé : - Les tubes sont supposées avoir une longueur de 9 mètres (exactement 30 pieds) conformément à la norme API (et fabriqués en acier AISI 4145H-modifié d'un diamètre 25 de 7" et de l'épaisseur correspondante de 3/8"). Bien entendu, conformément aux pré- requis précisés ci-avant et suivant le diamètre réel du puits, les tubes seront choisis en conséquence. Suivant la disponibilité des tubes accessibles, on choisit des tubes standards lourds ("standard heavy weight drill pipes" ou HWDP) avec corps et joints conformes aux normes (corps de tube AISI 1340 pipe body, joints AISI 4140H-modified 30 tool joints). Mais le calcul a été réalisé avec des tubes standards API ("standard collars"). - Un jeu de tubes est réalisé à partir de quatre tubes. Deux des tubes auront une fonction de blocage et les deux autres de verrouillage 3 2988768 - Une logistique adaptée doit être mise en oeuvre de façon à apporter sur site les jeux de tubes incluant les modules énergétiques. Les autorisations de transport correspondantes doivent être délivrées à l'équipe en charge de la logistique conformément à la 5 réglementation en vigueur. - Quatre jeux de tubes seront préparés et vérifiés. Deux seulement seront mis en oeuvre sur le site : l'un sera descendu en tête de train de tubes pour l'opération. Si l'objectif d'une réduction de 90 to 95% du débit de fuite en tête de puits n'a pas été complètement atteint 10 à l'aide du premier jeu de tubes, le second jeu sera immédiatement activé (pour cela, il aura été positionné à la distance appropriée au-dessus du premier jeu. - Trois robots sous-marins (ROV) auront été positionnés près de la tête de puits pour s'assurer de la pénétration du train de tubes dans celle-ci. Deux seraient suffisants. 15 Néanmoins, dans un but de sécurité, un troisième sera rendu disponible. a- Préparation de l'entrée dans le puits et sécurisation de l'opération : Le jeu de tubes ne sera doucement mais précisément introduit dans la tête du puits à l'aide d'un dispositif approprié, sous le contrôle des robots. 20 Mais parce que les conditions exactes locales ne sont pas uniformes, un dispositif sécurisant l'entrée dans le puits a été conçu ; ce dispositif ne fait pas partie intégrante du présent brevet. 25 b- Préparation du jeu de tubes : Le jeu de tube sera descendu près de la tête de puits au bout d'un train de tubes à partir de la plateforme. Un dispositif alternatif sera disponible dans le cas où les éruptions de gaz rendront dangereux l'usage de la plateforme à la verticale de la tête de puits. Ce dispositif alternatif ne fait pas partie intégrante du présent brevet. 30 c- Retrait propre de la tête de puits : Dans le but d'obtenir une coupe propre et nette du bloc obturateur de puits au-dessus de la tête de puits, éventuellement endommagé, une 4 2988768 coupure propre de la tête de puits sera opérée à l'aide d'un dispositif spécifique qui ne fait pas parti intégrante du présent brevet. d- Entrée dans la tête de puits : Pour l'entrée du train de tubes dans la tête de puits, 5 proprement préparé, et en raison même du flux ascendant qui émerge de cette tête de puits, il a été prévu un dispositif qui assure infailliblement le positionnement et la pénétration du train de tubes dans la tête. Ce dispositif ne fait pas partie intégrante du présent brevet 10 3 - Procédé : a- Jeu de tubes : Le jeu de tubes est supposé amené en pénétration en tête de puits. 15 b- Descendu jusqu'à la profondeur de ...? : Le procédé nécessite tout d'abord que le train de tubes soit descendu au-dessous du bas du tubage ("casing"). Au-dessous de celui-ci, la zone visée à atteindre est localisée environ 150 pieds sous son point le plus bas (ce minimum répond à des impératifs de sécurité : d'une part, il s'agit de se positionner dans la formation rocheuse ; mais, d'autre part, il s'agit que la partie supérieure du jeu de 20 quatre tubes soit positionnée à au moins 150 pieds au-dessous du bas du tubage pour ne pas l'endommager mais profiter d'une roche plus friable que lui-même ; c'est-à-dire à une distance de 150 + 120 = 270 pieds de profondeur au-dessous du point bas du dit tubage). En fait, pour sécuriser une réduction de fuite d'au moins 90-95%, un second jeu de quatre tubes doit être prévu dans le même train de tubes descendu dans le puits, au dessus du 25 premier et séparé de celui-ci par quelques tubes inertes. Ainsi, le jeu de tubes inférieur devra être descendu à une profondeur de l'ordre de 390-400 pieds sous le bas du tubage, de manière à laisser le jeu de quatre tubes supérieur positionné à la profondeur de sécurité d'au moins 270 pieds au-dessous du point bas du dit tubage. 30 c- Dispositif d'allumage: Complètement sécurisé ("failsafe"), le dispositif d'allumage des charges énergétiques de chacun des quatre tubes commencera par le tube numéro 4, puis le numéro 3, le 2 et finira par le numéro 1. Chaque allumage sera commandé 1/10 de seconde environ après le précédent. 5 2988768 d- Pression ambiante dans le puits : Dès que la totalité de la séquence d'allumage aura été opérée, la pression ascendante dans le puits aidera à pousser les roches disloquées, le gravier et le sable dans le puits de bas en haut, sécurisant ainsi le 5 verrouillage du puits. 4 - Jeu de tubes de blocage : Ces tubes sont les numéros 1 & 3. Chacun des jeux de tubes a été conçu de façon à bloquer, puis à verrouiller, le puits à 10 l'aide d'un endommagement optimal de la paroi extérieure du puits (jusqu'à un diamètre à peine supérieur au double du diamètre original du puits). Le but est de sécuriser à la fois le procédé de blocage et l'intégrité du puits. Dès que les données relatives aux puits ("log") et que les caractéristiques moyennes des couches rocheuses locales seront connues, le diamètre précis (15 pouces ou autre) donnera les caractéristiques des charges 15 énergétiques à insérer dans les tubes. Certains poutres d'ancrage ont été conçus de façon à contribuer au verrouillage du dispositif dans le puits, en raison de la nature même des couches rocheuses qui vont envahir localement le puits ; ainsi quatre zones d'allumage seront prévues pour chacun des tubes de blocage. Des points de soudure de ces poutres d'ancrage ont été précisément prévus afin de 20 favoriser, dans les dixièmes de seconde suivant chaque allumage, l'ouverture de ces poutres d'ancrage en forme de tulipe. a- Caractéristiques, position et dimension des poutres d'ancrage : Les poutres 25 d'ancrage (en acier inox) seront placés tout autour du tube parallèlement à la direction de son axe. Ils seront soudés par leur partie centrale sur environ un tiers de leur longueur (2 pieds). On doit mentionner qu'un point de soudure sera ajouté à l'extrémité de chacun de ces poutres d'ancrage de façon à prévenir tout arrachement durant la phase de descente du train de tubes dans le puits. 30 Les poutres d'ancrage se termineront par un chanfrein à chacune de leur extrémité (le but de ces chanfreins est à la fois de favoriser la pénétration dans le puits lors de la descente du train de tubes, mais aussi de générer des grappins plus efficients lorsque la forme en tulipe sera donnée aux poutres d'ancrage par la charge énergétique locale). Suivant le 6 2988768 diamètre du puits (et ainsi le diamètre des tubes) trois groupes de poutres d'ancrage seront soudés sur chacun des tubes. Chaque groupe disposera ainsi se de ces poutres d'ancrage placés comme ci-après. 5 Chacun des deux "Jeux de tubes de blocage" a été conçu comme illustré sur la figure 1 10 Après l'activation des charges énergétiques, les "grappins" se déploieront en Tulipes, comme illustré sur la figure 8 : la paroi du puits est élargie de 15"-20" dans la couche rocheuse. Les pierrailles, graviers et sables vont occuper et bloquer le vide. Pour que l'opération se déroule convenablement, les poutres d'ancrage seront soudés sur 15 deux pieds de longueur à leur partie centrale (pour une longueur totale de chaque poutre d'ancrage de six pieds), de sorte à ce que la tension perpendiculaire induise le moment de flexion comme suit : m .m = - = - (en MPa ou PSI) avec M [N mm, lb in] étant le moment de flexion à ZW" rta. 2 appliquer aux poutres d'ancrage ("a" étant l'épaisseur de soudage [mm, in] et "L" la 20 longueur de soudage [mm, in] et L2 étant L x L). Les parties explosées du tube, à chaque extrémité des tulipes de blocage, seront utiles pour améliorer le processus de blocage du puits. En ce qui concerne les parties centrales des cylindres en acier qui rigidifient l'intérieur des tubes (et favorisent la propagation de l'énergie des charges vers l'extérieur), ils contribueront au processus de blocage. 25 b- Charges énergétiques : Chaque charge énergétique a été calculée de manière : à ouvrir la "peau" superficielle du tube (pour une épaisseur étant d'environ 3/8" en acier AISI 4145H-modified steel), 30 - à déployer les poutres d'ancrage sous forme "d'ailes" de grappins, à déformer localement jusqu'à un diamètre de 15"-20" la paroi rocheuse (excepté pour la charge terminale qui a été légèrement surdimensionné en conséquence). 7 2988768 Nota : La charge énergétique à l'extrémité basse du tube numéro 1 sera ajustée (en raison des caractéristiques rocheuses locales) de façon à dégager environ 1 m3 de matériau utilisé en faveur du blocage. 5 Dans le but d'ouvrir convenablement les poutres d'ancrage en forme de tulipe, le rayon courbures les poutres d'ancrage a été calculé à l'aide de leur module d'Young et du moment quadratique permettant d'évaluer le moment de flexion comme suit : E étant supposé dimensionné à 203,000 MPa pour un tel acier et la section des poutres d'ancrage en acier étant de 2 x 3 cm (base x hauteur) sur six pieds de long (leur partie centrale ayant été soudée sur une longueur de 2 pieds), le moment de réflexion a été 15 estimé. En outre, et parce que l'écart entre la paroi du puits et le tube peut être calculé en raison même diamètre du puits obtenus par le "well log"), la pression réelle mesurée permettra de calculer la charge énergétique correspondante, laquelle charge sera définie, compressée et fabriquée. Ce calcul repose sur des tubes réellement disponibles sur le marché. Ainsi, les charges énergétiques ont été calculées pour un matériau énergétique 20 spécifique, compressées et positionnées dans la peau du tube, juste en dessous de cette peau. Dans le but de sécuriser l'effet de la charge énergétique, un cylindre massif central en acier sera introduit dans le tube. Ce cylindre aura été conçu de façon à recevoir les 25 charges énergétiques unitaires soigneusement positionnées, mais aussi à recevoir le système d'allumage (voir ci-dessous). En raison de l'effet énergétique consécutif à l'explosion, le choix du matériau des cylindres internes a porté sur un acier spécial dont la dureté est de 30 (HRC), max yield strength à atteindre de 120,000 psi avec une valeur moyenne de Charpy garantie 30 (ft. lb.) de 24 ksi sqr.in via la méthode NACEMethod D. Le schéma du cylindre central massif à insérer dans les tubes est illustré en figures 1 et 2. 8 2988768 Le cylindre central massif est en acier avec les canaux pour ses six charges énergétiques et son canal central pour le système d'allumage (à connecter aux canaux des charges énergétiques pour allumage). 5 c- Caractéristiques d'allumage : Le système d'allumage commandera le processus d'explosion des charges énergétiques. Il 10 s'agit d'un système classique opérant à distance et contrôlé depuis la plate-forme ou le navire de pilotage. Le "canal central d'allumage" a été usiné dans l'axe des "cylindres centraux massifs". Des "canaux radiaux" permettent au "canal central d'allumage" d'être connecté aux charges énergétiques pour déclenchement de la séquence d'allumage. 15 La commande est démarrée à l'aide d'un transpondeur positionnés sur le plancher sous- marin (ou au sol en cas de fuites sur un puits à terre). Le signal sera transmis, en fait, de la partie supérieure du numéro tube numéro 4 (le plus haut des quatre du jeu de tubes) à partir du système électronique permettant de déclencher la séquence d'ordres destinée aux charges énergétiques. Ce signal sera transmis par câble (ou autre) depuis la commande 20 électronique centrale jusqu'aux charges énergétiques via le canal central. Le système redondant et le plus sécurisé sera conforme aux spécifications Mil Spec. 5 - Jeu de tubes de verrouillage par coins : Ces tubes sont les numéros 2 & 4. Leurs caractéristiques ont été définies pour assurer le verrouillage "par coins", pour 25 sécuriser le blocage déjà généré par les tubes numéros 1 et 3. Le but est que chaque segment découpé " en forme de coins" dans le cylindre central se positionne de guingois sous l'effet de la pression existant de bas en haut. Suivant le diamètre du puits, la longueur de chaque segment du cylindre central sera ajustée comme étant de 15 à 20 % plus grande que le diamètre du puits (conformément aux 30 caractéristiques rocheuses obtenue par les données du "well log"). a- Préparation de blocs de cylindre central "en coins", position, conception et dimension : 9 2988768 Chaque cylindre en acier inséré à l'intérieur de chaque tube a été coupé en biseau en segments spécifiques. L'extrémité de chaque segment est coupée à 45° par rapport à l'axe du cylindre. Ainsi, les charges énergétiques seront placées à l'intérieur du tube. Leur position (comme leur séquence d'allumage) sera obtenue en usinant un cylindre dont les 5 segments seront insérés les uns au bout des autres à l'intérieur du tube. À l'intérieur du tube, le cylindre en acier sera usiné comme illustré sur la figure 3. Charges énergétiques : 10 Chaque charge énergétique a été calculée de manière à : - ouvrir la "peau" du tube (pour une épaisseur connue de celui-ci de3/8" in AISI 4145Hmodified steel), - libérer chacun des segments du cylindre central massif en acier, afin qu'ils deviennent 15 des verrous additionnels, précisément en raison de la pression exercée dans le puits de bas en haut. Il est ici de nouveau précisé à cette étape, qu'en raison de l'écart entre la paroi du puits et le tube, la pression réellement mesurée permettra d'achever le calcul des charges 20 énergétiques. Le calcul de ces charges a été effectué à partir d'un matériau énergétique spécifique et de tubes standards existants sur le marché. Les charges énergétiques sont alors positionnées à l'intérieur de la "peau" du tube, juste sous cette peau, dans un logement usiné dans le cylindre massif central. 25 b- Architecture du cylindre interne : Dans le but de sécuriser les effets des charges énergétiques, un cylindre massif interne en acier sera inséré dans le tube ce cylindre sera usiné de façon à permettre de placer une charge militaire d'une part mais aussi d'y recevoir système d'allumage (voir ci-dessous). 30 Afin d'optimiser l'effet des charges adaptées, la longueur des sections du cylindre central sont usinées comme suit (même acier que ci-avant). 10 2988768 Le schéma des sections du cylindre massif interne en acier à insérer dans le tube est illustré aux figures 3 et 4. c- Caractéristiques d'allumage : 5 Le système d'allumage amorce le processus d'explosion des charges énergétiques. C'est un système classique opéré à distance et contrôlé depuis la plate-forme ou le poste de pilotage en surface. Le "canal central du système d'allumage" a été usiné dans l'axe des 10 sections du "cylindre central interne en acier". Des "canaux radiaux" permettent au "canal du système d'allumage central" d'être relié aux charges énergétiques. D'autres dispositions peuvent être envisagées pour l'installation de ce système d'allumage. Une commande identique est utilisée pour tous les jeux de tubes, avait la même 15 commande centrale, le signal étant relayé depuis la surface par le transpondeur posé sur le plancher de la mer (ou la surface en cas de puits à terre). Les mêmes caractéristiques et les mêmes spécifications s'appliqueront (cf. ci-avant). 11 REVENDICATIONS1. Dispositif de colmatage de puits comportant au moins une paire de tubes destinés à être assemblés l'un à l'autre, caractérisé en ce que le premier tube de la paire de tubes comporte sur une surface externe des moyens de blocage déployables contre une paroi du puits à colmater et en ce que le deuxième tube de la paire de tubes comporte des moyens de calage et de sécurisation déployables dans le puits à colmater. 2. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de blocage déployables comprennent un ensemble de poutres d'ancrage déployables de manière centrifuge, uniformément répartie sur une circonférence de la surface externe du premier tube et orientée. 3. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des poutres d'ancrage déployables est fixée à encastrement avec le premier tube au niveau d'une partie centrale de chacune des poutres d'ancrage déployables, chaque extrémité de chacune des poutres d'ancrage déployables étant libre. 4. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie de centrale de chacune des poutres d'ancrage déployables présente une longueur de l'ordre d'un tiers de la longueur de chacune des poutres d'ancrage déployables. 5. Dispositif de colmatage de puits selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en 25 ce que chaque extrémité de chacune des poutres d'ancrage déployables est maintenue contre la surface externe du premier tube au moyen d'une liaison fusible. 6. Dispositif de colmatage de puits selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le premier tube comporte des moyens de mise en oeuvre d'un déploiement de 30 l'ensemble des poutres d'ancrage déployables. 7. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de mise en oeuvre d'un déploiement comprennent une série de charges 12 2988768 explosives pré calibrées, chacune des charges explosives étant située en regard d'une extrémité des l'une des poutres d'ancrage déployables à l'intérieur du premier tube . 8. Dispositif de colmatage de puits selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en 5 ce que les moyens de calage et de sécurisation déployables comportent un ensemble de blocs cylindrique de révolution reçus de manière coaxiale dans le deuxième tube . 9. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 8, caractérisé en ce que le deuxième tube comporte des moyens de mise en oeuvre d'un déploiement de 10 l'ensemble de blocs cylindrique. 10. Dispositif de colmatage de puits selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mise en oeuvre d'un déploiement comprennent une série de charges explosives pré calibrées, chacune des charges explosives étant située à une interface 15 entre deux blocs cylindriques adjacents.