FR 2672934 A1 19920821 FR 9102064 A 19910218 SYSTEME DE LIBERATION DE LANCEURS POUR TETE DE CIMENTATION OU OUTIL DE FOND SOUS MARIN POUR PUITS PETROLIERS La présente invention est relative au domaine du forage de puits pétroliers ou analogues, à partir de fonds marins, depuis une structure de travail qui peut être une plate-forme flottante ou fixe, d'un type quelconque. Si la technique plus particulièrement intéressée est celle du forage off-shore, la définition de puits de forage sous-marins doit être considérée comme en- globant tous les cas d'application o un puits est foré à partir d'une surface recouverte d'une hauteur d'eau, salée ou non, stagnante ou non. L'invention vise, plus particulièrement, le maté- riel, l'installation ou l'équipement devant être mis en oeuvre pour assurer la cimentation du tubage inter- ne d'un tel forage. Sans qu'il soit besoin de décrire très précisément la technique de cimentation du tubage interne ("inter- nal casing") d'un puits foré, en raison de la connais- sance qu'en a l'homme de l'art, il convient, néanmoins de rappeler que cette technique de cimentation consis- te à lancer, à l'intérieur du tubage interne, un bou- chon étanche, dit inférieur ("bottom plug"), destiné à nettoyer par râclage la surface interne du tubage 1 pour éliminer les traces de boue de forage et éviter le contact boue/ciment. Le lancement du bouchon, dit inférieur, est assuré par l'intermédiaire d'un fluide sous pression tel, no- tamment, que du ciment Après positionnement, de ma- nière connue, du bouchon inférieur sur le "float collar" ou clapet de pied ou manchon de retenue ou analogue, la surpression qui apparaît perfore la membrane de rupture du bouchon inférieur De manière également connue, un bouchon, dit supérieur ("top plug"), est lancé dans le même tubage pour être pro- pulsé, également, par un fluide sous pression ("chas- se") au cours d'une opération séparée ultérieure, généralement après avoir pompé le laitier de ciment. Le bouchon supérieur a pour fonction de refouler, à travers le bouchon inférieur, le ciment ou produit analogue préalablement pompé, de manière à le faire remonter dans l'espace annulaire ("annulus") entre le tubage interne et, soit les formations adjacentes, soit un tubage externe. On conçoit qu'un tel procédé est difficilement mis en oeuvre dans le cas de forages sous-marins, en rai- son du fait que la tête de cimentation ordinaire ("cementing head") portant les bouchons se trouve 1 habituellement adaptée sur la structure de travail ("rig") Dans le cas de forages sous-marins, une telle approche conduirait à faire parcourir, aux différents bouchons, un long trajet de cheminement entre la structure de travail et le fond sous- marin, avec tous les inconvénients et problèmes qu'une telle technique induirait. La demande de brevet français NO 90-03 129 déposée le 07 Mars 1990 décrit une tête de cimentation sous- marine (sub-sea cementing head) améliorée. La présente invention est destinée à coopérer avec ladite tête de cimentation et l'enseignement de la demande FR 90 03 129 est donc incorporé ici par ré- férence Notamment, le détail du fonctionnement de la tête de cimentation et du lancement des bouchons ne sera pas repris ici. Néanmoins, la présente invention concerne un sys- tème de libération d'un ou plusieurs "lanceurs" ("darts") qui emploie des lanceurs classiques: il est donc évident que la présente invention peut également être employée en coopération avec des têtes de cimen- tation sous-marines d'un type quelconque, activées par les lanceurs en question ou des lanceurs d'un type équivalent. 1 Un système de libération de lanceur(s) de l'art antérieur est décrit dans la demande de brevet FR - 03 129 (Fig 1 référence 10 et Fig 2) De tels sys- tèmes sont bien connus de l'homme de métier, ainsi que leurs inconvénients: poids élevé, présence de tubulu- res de distribution du fluide pompé sous haute pres- sion ("manifold"), absence de flexibilité d'emploi, danger de manipulation, temps de mise en place assez long etc Un tel système de l'art antérieur est également décrit dans la demande de brevet européen EP-A-0167 285, Fig 1. La présente invention concerne un système de libé- ration de lanceur(s) dont la conception est totalement originale, au point qu'elle apporte des améliora- tions extrêmement marquantes. Ledit système de libération de lanceur(s) (ci-après le "système") comporte trois parties principales: 1 une partie inférieure ("bottom part"). 2 une partie modulaire ("modular part") fixée au- dessus de la partie inférieure. 3 un joint tournant comportant des arrivées latérales de fluide pompé ("side inlet swivel") Ce joint est lui-même fixé au-dessus de la partie modulaire cen- trale La partie supérieure de ce corps est adaptée pour former de manière connue une connexion pouvant 1 coopérer avec une pièce appropriée d'un outil de levage ou tige de forage de type classique La partie centrale est qualifiée de "modulaire" car, comme on le verra ci-dessous, elle peut com- porter un ou plusieurs, notamment deux, modules, ce qui permet de lancer soit deux, soit plus de deux, soit notamment trois lanceurs. La partie inférieure peut être fixée directement au-dessous du raccord tournant, ce qui permet de lancer un seul lanceur. Le grand intérêt de ce concept est de pouvoir lancer un, deux ou trois bouchons de cimentation ("cimenting plugs") avec une modification relative- ment simple et rapide du système. Ceci n'était absolument pas concevable avec les systèmes tels que décrits par exemple à la Fig 2 de la demande FR -A-90 03 129 qui sont des systèmes massifs. L'ensemble du système est conçu pour que les flui- des à pomper dans le puits traversent le système de haut en bas et puissent circuler autour des lanceurs ou, alternativement, propulser le premier, puis le second etc lanceur. On évite ainsi l'obligation d'un "manifold" pesant et volumineux qui déséquilibre l'outil lors de son installation. De plus, cette disposition permet au système d'être mis en rotation, ce qui est très important dans le 1 cadre des opérations modernes de cimentation, et le système peut de plus être animé d'un mouvement alter- natif de haut en bas et de bas en haut ("recipro- cating") ce qui est également important dans de nom- breuses opérations pour obtenir une bonne qualité de cimentation Les deux mouvements peuvent être effec- tués simultanément ou séparément. D'autres éléments et avantages de l'invention sont décrits dans la description qui va suivre, ainsi que dans les dessins o: la Fig 1 représente une vue générale en coupe longi- tudinale du système selon l'invention, dans la con- figuration à deux lanceurs; la Fig 2 représente une vue générale en coupe longi- tudinale de la tête de cimentation sous-marine (ou "outil de fond") décrite dans la demande de brevet français précitée (comme indiqué plus haut, les dé- tails de réalisation et de fonctionnement de cette tête ne seront pas rappelés ici); la Fig 3 représente en coupe longitudinale le sys- tème selon l'invention, durant l'opération de libé- ration du premier lanceur ("bottom dart"); les Fig 4 et 5 représentent en coupe longitudinale 1 l'action de ce premier lanceur sur la tête de cimen- tation (éjection du premier bouchon ou "bottom plug"). la Fig 6 représente en coupe longitudinale le sys- tème selon l'invention, durant l'opération de lance- ment du second lanceur ("top dart"). les Fig 7 et 8 représentent en coupe longitudinale l'action de ce second lanceur sur la tête de cimen- tation (éjection du second bouchon ou "top plug"). Sur toutes les figures, les mêmes références numéri- ques désignent les mêmes éléments. 1 partie inférieure ("bottom part") 2 partie modulaire ("modular part") 3 joint tournant à arrivées latérales de fluide ("side inlet swivel") 4 deux arrivées latérales de fluide 5 connexion avec l'outil de levage (ou tige de forage) 6 connexion avec la tige de forage 7 boisseau pivotant 8 orifice du boisseau 9 positioneur ensemble du système selon l'invention 1 11 cablage ou tuyautage de commande à distance 12 lanceur 13 panier du système 14 cavité intérieure du joint tournant 15,17 zones voisines de la face supérieure des lan- ceurs 16,18 espaces annulaires 19 tube de sortie du fluide tige de forage 21 cuvelage ("casing") 22 corps de piston ("piston ram") 23 orifices radiaux du corps de piston 24 piston siège 26 panier de la tête sous-marine 27 premier bouchon de cimentation ("bottom plug") 28 second bouchon de cimentation ("top plug") 29 surface du boisseau fermant l'annulaire 16,18 surface supérieure du lanceur 31 moyen de rupture calibré Pl 32 moyen de rupture calibré P 2 (P 2 > P 1) 33 annulaire de l'outil de fond En référence à la Fig 1, le système est globalement désigné par ( 10) Il est composé de trois éléments principaux qui sont, de bas en haut, la partie 1 inférieure ("bottom part") ( 1), la partie modulaire ("modular part") ( 2) et le joint tournant ( 3) à arri- vées latérales ( 4) de fluide. On notera que les joints tournants sont naturelle- ment connus dans l'industrie. Ces trois éléments sont connectés ensemble de manière classique pour l'homme de métier, notamment par des filetages appropriés, l'ensemble devant sup- porter des pressions pouvant atteindre l'ordre de 70 M Pa ( 10,000 psi). La partie supérieure ( 5) du joint tournant ( 3) est conçue de façon à former de manière classique une connexion capable de coopérer mécaniquement avec un outil de levage ou tige de forage ou ("top drive"), tel qu'utilisé habituellement sur les plate-formes de forage et installations analogues telles que navires de forage etc La partie inférieure ( 6) de la partie inférieure ( 1) du système ( 10) est destinée à être fixée sur la tige de forage ("drill pipe"). Divers concepts de connexion sont envisageables de manière classique, mais un concept avantageux de cette connexion ( 6) consiste à la rendre mécanique- ment compatible avec un ("bottleneck lifting sub"). 1 Cette version préférée est représentée sur la Fig 1 et permet au système de supporter une charge en traction pouvant atteindre environ 250 t ( 500,000 pounds). De préférence, les deux connexions ( 5) et ( 6) seront des filetages connus dans l'industrie pétrolière et capables de résister aux contraintes de pression et de charge précitées. De manière également préférée,le joint tournant ( 3) présente deux arrivées latérales ( 4) de fluide afin de permettre des débits importants Naturellement, des réalisations équivalentes sont aisément réalisables. Comme indiqué plus haut, l'un des grands avantages du système est d'offrir une grande liberté aux opéra- teurs pour mettre le système, et l'ensemble des tiges de forage, cuvelages ("casing") etc en rotation et/ ou en mouvement alternatif de haut en bas ("reciproca- ting") On sait en effet que de tels mouvements sont recommandés dans les techniques modernes de cimenta- tion pour améliorer de manière très notable la quali- té de l'opération. Les lanceurs ( 12) sont d'un type classique qu'il est inutile de décrire en détail ici. Toutefois, de manière tout à fait préférée, ils il 1 contiendront un insert magnétique produisant un champ magnétique suffisant pour être détecté positivement de l'extérieur de la tige de forage. Les lanceurs sont maintenus en position, de manière positive, par des boisseaux ( 7) pivotants dont l'orifice central ( 8) est aligné avec l'axe longitu- dinal des lanceurs et dont le diamètre est suffisant pour laisser passer les lanceurs. En position de maintien en place des lanceurs, les boisseaux ( 7) sont disposés verticalement, comme re- présenté sur la Fig 1. Lorsqu'il convient de libérer un lanceur, on fait pivoter le boisseau correspondant d'un quart de tour, autour de son axe de rotation qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal du système et des lanceurs. Ce pivotement est obtenu par un positioneur ( 9) qui consiste de préférence en un moteur électrique, hydraulique ou pneumatique qui peut être commandé à distance par les cablages ou tuyautages ( 11). Le résultat de ce pivotement est d'ouvrir au lanceur considéré un passage vers le bas au travers de l'orifice du boisseau considéré Le lanceur est ensui- te propulsé vers le puits par le fluide pompé, comme cela sera indiqué ci-dessous. 1 S'il possède un insert magnétique, son lancement peut être décelé de manière positive par le détecteur magnétique précité. On notera enfin que les lanceurs ( 12) sont logés dans le système ( 10) dans des paniers ( 13) Chaque lanceur est contenu dans son panier. Chaque panier est maintenu en place par des moyens mécaniques appropriés tels que représentés sur la Fig 1 Ces moyens mécaniques comportent des moyens de fixation dans la direction verticale et des moyens de centralisation dans le corps du système ( 10). Ainsi plusieurs voies de passage sont offertes au fluide pompé en ( 4). Le fluide qui est pompé en ( 4) s'écoule tout d'abord dans la cavité intérieure ( 14), de préférence cylindrique, du joint tournant ( 3). Dans la zone ( 15) le fluide exerce une pression sur la face supérieure du lanceur supérieur ( 12) Ce lanceur assurant l'étanchéité par rapport à la paroi intérieure du panier ( 13), et le lanceur étant main- tenu en position par la position verticale du bois- seau ( 7), le fluide ne peut que s'écouler dans l'annu- laire ( 16) Le même phénomène se reproduit lorsque ledit fluide parvient au niveau du lanceur inférieur. Finalement, le fluide, dans la configuration de la 1 Fig 1, s'écoule par les annulaires ( 16) et ( 18) puis par le tube de sortie ( 19) vers le puits, sans lancer les lanceurs ( 12). La Fig 2 représente un exemple tout à fait préféré, mais non limitatif de l'outil de fond, dont les élé- ments essentiels sont connectés sous la tige de forage ( 20), et contenus dans le cuvelage ("casing") ( 21) à cimenter: un corps de piston ( 22) ("piston ram") comportant des orifices ( 23) radiaux, un piston ( 24) coulissant dans ledit corps et qui comporte à sa partie supérieure un siège ( 25) de réception des lan- ceurs ( 12), et un panier ( 26) contenant, par exemple, deux bouchons de cimentation: ( 27) premier bouchon ("bottom plug") et ( 28) second bouchon ("top plug"). Ces éléments sont complétés par divers moyens de fixation, de maintien en position, d'égalisation de pression, et de libération dont, comme il a été dit plus haut, le détail est donné dans la demande de brevet français NO 90 03 129, à laquelle on pourra se reporter. La Fig 3 représente la libération du premier lan- ceur ( 12) Pour ce faire, on fait pivoter le boisseau ( 7) de la partie inférieure ( 1) d'un quart de tour. Ce mouvement produit deux effets simultanés, celui d'aligner l'orifice ( 8) avec le lanceur ( 12) et celui 1 de fermer vers le bas l'espace annulaire ( 18), au niveau de la surface ( 29) Le pompage du fluide en ( 4) lequel circule dans la partie modulaire ( 2) autour du lanceur bloqué dans cette partie par la po- sition restée verticale du boisseau produit alors un effet de pression sur la face supérieure ( 30) du premier lanceur, ce qui propulse le lanceur dans le tube de forage par le conduit ( 19). La Fig 4 représente l'arrivée du premier lanceur ( 12) sur le siège ( 25) du piston de l'outil de fond. La pression du fluide continuant à s'exercer, la pression va conduire à la rupture d'un premier moyen de retenue à rupture en cisaillement calibrée pour une pression Pl ( 31). La Fig 5 représente le mouvement qui s'opère alors: le moyen ( 31) ayant été rompu, le lanceur ( 12) actionne le piston ( 24) jusqu'à dégager les orifices radiaux ( 23) Le fluide peut alors circu- ler vers l'annulaire et la pression Pl chute jusqu'à une valeur P'l faible Le piston est freiné par la résistance au déplacement du bouchon ( 28) Rapide- ment les pressions autour du piston s'équilibrent et n'exercent plus d'effort de poussée. Un second moyen de retenue à rupture en cisaille- ment calibrée pour une pression P 2 > PJ ( 32) limite de manière positive le déplacement axial du piston. (Back up). 1 L'ampleur de ce mouvement est calculée, comme expliqué dans la demande de brevet français FR 90 03 129, pour produire deux effets: expulsion du bouchon ( 27) hors du panier ( 26) et dégagement par le lanceur ( 12) des orifices radiaux ( 23) Le fluide est alors forcé vers l'annulaire ( 33) et propulse le bouchon ( 27) vers le fond de puits. Lorsqu'il devient nécessaire de lancer le second bouchon ( 28), on procède de manière analogue. Comme représenté sur la Fig 6, on fait pivoter le boisseau ( 7) de la partie modulaire ( 2), ce qui libère le deuxième lanceur ( 12), qui est alors propulsé par le fluide car les surfaces ( 29) empêchent toute diver- sion du fluide vers ou par les annulaires ( 16) ( 18). A la sortie du tube ( 19), le passage du lanceur ("dart") peut être détecté magnétiquement. Les Fig 7 et 8 représentent l'action du second lanceur sur l'outil de fond: la pression accumulée derrière le lanceur ( 12) provoque la rupture du moyen ( 32) et donc un second mouvement vers le bas du piston ( 24), qui expulse le bouchon ( 28) et, en fin de course, les orifices radiaux ( 23)seront dégagés Le fluide pompé passe alors dans l'annulaire ( 33) et propulse le bouchon ( 28) vers le fond de puits. 1 L'invention propose donc un système de libération de lanceurs pour tête de cimentation sous-marine qui, malgré la complexité des opérations, et les impératifs liés à l'obligation d'assurer à 100 % la libération d'un lanceur donné à un moment donné, et à l'obliga- tion d'éviter par exemple le lancement simultané des deux lanceurs, parvient à se présenter sous forme beaucoup plus maniable que dans l'art antérieur, avec de plus la commande à distance à partir du plancher de forage qui améliore la sécurité des opérateurs, et de l'opération. D'autres avantages sont l'équilibrage par rapport à l'axe vertical, la compatibilité avec le système "top drive" et les possibilités de mouvements rotatifs et de haut en bas, ainsi que la capacité très haute pression et de poids soulevé (env 250 t; 500,000 lbs). COMPATIBILITE AVEC "TOP DRIVE" / "ROTARY TABLE" (table de forage) Deux versions de la tête pourront être fabriquées 1 ère version: avec connections filetées, pas à droite 2 ème version: avec connections filetées, pas à gauche 1 La première version permet rotation et/ou réciprocation du système avec un "top drive". réciprocation seulement avec un "rotary table" (la rotation aurait tendance à desserrer les fileta- ges). La deuxième version permet réciprocation seulement avec un "top drive" (la rotation aurait tendance à desserrer les filetages avec pas à gauche). rotation et/ou réciprocation avec une "rotary table". Enfin, son aspect modulaire et la possibilité qui en découle de lancer plus de deux lanceurs est capi- tale dans l'industrie considérée. R E V E N D I C A T I O N S 1 Système de libération de lanceurs ("darts") desti- nés à coopérer avec un outil de fond ou tête de ci- mentation sous-marine de puits pétroliers, à gaz, et analogues, du type selon lequel les lanceurs sont initialement maintenus mécaniquement en posi- tion de lancement dans un corps "haute pression", puis libérés, et propulsés vers le fond du puits selon une séquence prédéterminée par le fluide devant être pompé dans le puits, caractérisé en ce que: le corps "haute pression" ( 1,2,3) comporte une arrivée ( 4) de fluide dans sa partie supérieure( 3); le ou les lanceur(s) ( 12) sont placés dans des paniers individuels ouverts aux deux extrémités et eux- mêmes positionnés au centre, et selon l'axe longitudinal dudit corps, dans la cavité générale- ment cylindrique ( 14,15,16,18) ménagée dans ledit corps; ces paniers étant placés entre l'arrivée supé- rieure de fluide ( 4) et le conduit inférieur ( 19) de sortie de fluide vers le tube de forage; 1 et en ce que, sensiblement immédiatement sous chaque panier, se trouve un moyen de retenue ( 7) mécanique et mobile qui, dans une position, s'oppose au passa- ge du lanceur vers le bas mais ne s'oppose pas au passage du fluide et qui, dans une autre position, ne s'oppose pas au passage du lanceur vers le bas mais s'oppose au passage du fluide. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de retenue ( 7) sont consti- tués par un boisseau ( 7) positionné transversale- ment par rapport à l'axe longitudinal du système et des lanceurs, monté pivotant autour d'un axe également transversal, et comportant un orifice ( 8) centré sur l'axe longitudinal du système et des lanceurs, de diamètre suffisant pour laisser passer les lanceurs, lequel boisseau: en position verticale s'oppose au passage du lanceur par sa partie (a) mais laisse le fluide s'écouler par les gorges (b). en position horizontale (obtenue par pivote- ment d'un quart de tour) laisse passer le lan- ceur par l'orifice ( 8) mais s'oppose au passage du fluide par sa surface ( 29). 1 3 Système selon la revendication 1 ou 2 carac- térisé en ce que lesdits moyens de retenue ( 7) sont commandés mécaniquement par un sys- tème agissant à travers la paroi du corps 1,2,3), de préférence par un moteur électri- que ou un système hydraulique ou pneumatique à commande à distance 4 Système selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3 caractérisé en ce que les lanceurs ( 12) sont légèrement précontraints élastiquement dans le panier ( 13). Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que la par- tie supérieure ( 3) consiste en un joint tour- nant comportant une ou plusieurs entrées la- térales de fluide. 6 Utilisation du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans les domaines de forages pétroliers, parapétroliers, géothermi- ques, d'eau, de gaz et analogues.