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La présente invention concerne une vanne utiLisable pour equiper les
tubages de puits forés dans le sol, notamment les puits horizontaux.
Cette vanne permet notamment d'effectuer d'une manière simple la
production sélective de formations géologiques ou de zones de
productions traversées par le tubage à l'aide d'un nombre tres réduit
de lignes de commande. Cette réduction du nombre de lignes est
particulièrement avantageuse : au niveau de la traversée par les
lignes des joints d'étanchéité, ces joints pouvant etre du type
"packer" ; du point de vue de l'encombrement des lignes le long du
tubage notamment à sa periphérie, et aussi pour la réduction des coûts
de mise en place de ces lignes.
~`~
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L'invention s'applique avantageusement a la production de puits
horizontaux. En effet, particulièrement en forage pétrol;er, la
production d'un puits provoque un déplacement des differentes nappes
de liquides de la zone de production appelé effet de cône (en anglais
5 "coning"). En production dans des puits hor;zontaux, la venue de
liquides indésirables, tels que l'eau, s'effectue en general
irregulièrement le long du puits, tant et si bien qu'une grosse partie
du liquide recherché, tel que l'huile, n'est pas extraite des
formations.
Pour pallier cet inconvénient, d'une part on réalise plusieurs zones
de pro~uction que l'on equipe de moyens, t,els des vannes, permettant
d'en régler le débit et d'autre part on contrôLe notamment la qualite
et la quantite des fluides provenant de chacune des zones de
15 production. Ce contrôle peut être effectue par des ;nstruments, tels
des débimetres et des instruments de mesure phys;que et/ou ch;m;que
des fluides, disposés par exemple le long du puits ou du tubage
suivant chacune des zones de production.
20 L' invention fournit une vanne à chemise coulissante pour la production
de puits forés dans le sol, incluant un corps extérieur cylindrique
adapte a s'intercaler dans un tubage, une allonge intérieure à ce
corps, une chemise coulissant entre le corps et l'allonge, et
permettant la modification du degré d'ouverture d'orifices
25 mettant en communication l'intérieur et l'extérieur de la
vanne, une chambre de poussée délimitée par le corps,
l'allonge et une extrémité de la chemise, la chambre étant
reliée à des moyens de commande hydraulique.
Cette vanne est notamment caractérisée en ce qu'elle
inclut en outre des moyens de rappel agissant sur la
chemise, les moyens de commande hydraulique tendant à
déplacer la chemise à partir d'une position initiale, contre
~ .
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l'action des moyens de rappel, de manière à modifier le
degré d'ouverture des orifices, les moyens de rappel étant
adaptés à ramener la chemise dans la position initiale en
l'absence d'une action suffisante des moyens de commande
hydraulique.
La vanne pourra comporter une chemise de sécurité commandée
mécaniquement par l'intérieur du tubage et adaptée à
modifier l'ouverture des orifices.
Les moyens de commande hydraulique peuvent comprendre par
exemple une ligne reliée à un générateur hydraulique, et les
moyens de rappel peuvent être constitués d' un ressort.
L';nvention pourra etre bien compr;se et tous ses avantages
apparaîtront cla;rement 3 la lecture de la descr;ption qu; su;t dont
un exemple de realisation est illustre par les fiqures annexées parmi
lesquelles :
- la figure 1 represente en coupe un puits equ;pe du dispositif selon
l'invention, au cours de l'etape precédant la connexion,
- la figure 2 montre en detail une vanne hydraulique sélective, a
chemise coulissante utilisee dans un dispositif selon l'invention, et
- la figure 3 montre schematiquement un dispositif selon l'invention
comportant des outi(s et/ou instruments hydrauliques.
Sur la figure 1 le pu;ts, comportant une partie fortement inclinée sur
la verticale, voire horizontale, et equipe d'un dispositif selon
l'invention, est exploite à partir de la surface du sol. Ce puits 1
comporte sur une certaine longueur un cuvelage Z a l'interieur duquel
se trouve un tubage 3 et un conduit 4, qu; traverse des format;ons
geolog;ques dont on veut produire des fluides.
n
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- 3a -
De manière a produire selectivement des fluides des formations
geologiques, suivant des zones dites de pr,oduction 30, 31, 3Z, 33, on
dispose, d'une part, entre le cuvelage 2 et les formations des moyens
d'étancheite 7, 8, 9 du type packer et, d'autre part, entre le
cuvelage 2 et le premier tubage 3 et le conduit 4 des moyens
n
~
-
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sont situés respectivement sensiblement au droit des joints les 7, 8,
9 et sont par exemple du type packer double.
Chacune des zones de production 30, 31, 32 communique avec des zones
intérieures au cuvelage 2 par des orifices 13, 15, 17 respectivement.
On peut faire communiquer cette zone à volonté avec l'intérieur du
premier tubage 3 par des vannes de circulation, telles des vannes à
chemises coulissantes 14, 16, 18 respectivement.
En production, Les vannes 14, 16, 18 sont normalement dotees de
clapets anti-retour empechant la circulation de fluide du tubage vers
les formations, mais on pourra très bien supprimer ces clapets,
lorsque, par exemple, on voudra proceder a la fracturation d'une zone.
L'extrémité inférieure du conduit 4, comportent une vanne 11 pouvant
etre commandee à distance, telle qu'une vanne à chemise coulissante
semblable aux vannes 14, 16, 18 et permettant de mettre en
communication la partie inférieure 33 du puits 1 avec le tubage 3 et
le conduit 4, soit pour produire les fluides du fond du puits (par le
conduit 4), soit pour les besoins de l'exploitation normale du puits.
Le conduit 4 relie au tubage 3 par l'élément de liaison hydraulique 12
comporte, si besoin est, disposée a la profondeur requise, une pompe
19 de circulation qui aspire le fluide des formations et le refoule à
la surface du sol par la bouche 20. La pompe 19 peut etre une pompe
hydraulique, électrique ou mécanique, telle le plongeur d'une pompe à
tige et balancier. La position de la pompe 19 dans le puits pourra
etre situee sensiblement au dessous du niveau dynamique d'une
formation en production. Selon l'invention le sens de circulation du
fluide de la pompe peut être unique et ascendant.
L'extrémité interieure et inférieure du tubage 3 comporte un premier
organe de connexion 10 relie par des lignes électriques 40 à des
instruments et/ou outils 34, 35, 36, 37 disposes dans chacunes des
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zones de production 30, 31, 32, 33.
Ce premier organe de connexion 10 est adapté à cooperer avec un
deuxième organe de connexion 21 reLié à la surface du sol par un câble
5 de transmission 22. Ce deuxieme organe de connexion 21 est introduit
dans le tubage 3 a sa partie superieure, puis est déplace jusqu'au
deuxième organe de connexion 10 pour établir la coopération de ces
derniers.
10 Le deuxième organe de connexion 21 peut comporter une barre de charge
21a qui permet la descente par gravite du ce deuxième organe 21,
notamment pour les puits verticaux ou faiblement dévies de la
verticale. Cet organe 21 peut aussi comporter des garnitures adaptées
à coopérer avec l'intérieur du tubage 3, notamment pour les puits
15 fortement déviés de la verticale voire horizontaux ou encore
remontant, afin de réaliser une etancheité et ainsi mouvoir cet organe
21 par un pompage hydraulique produit, soit par la station 29 qui est
reliee au tubage 3 par une canalisation 28, soit par la pompe de
circulation 19 située dans le conduit 4.
L'extrémite du tubage comporte un canal 12a, situe en dessous de la
liaison hydraulique 12 et qui permet une circulation de fluide, cette
liaison hydraulique etant adaptée à permettre l'evacuation des boues
ou autres sediments et étant egalement adaptee a permettre
25 l'élimination du fluide present entre les premier 10 et deuxième 21
organes, notamment lors de leur connexion, et grâce à une section
convenable. La liaison hydraulique 12 est aussi adaptee à permettre
l'amortissement de l'inertie du deuxième organe 21 au cours de sa
connexion avec le premier organe 10.
Pour réaliser la descente du deuxième organe 21 de connexion par un
pompage hydraulique d'un fluide, tel une huile dégazee, l'extremité
superieure du tubage 3 comporte un presse-étoupe 23 au travers duquel
passe le c3ble de transmission 22 avant d'etre renvoye par deux
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poulies 24, 25 vers le treuiL 26 commandé par le poste 27.
Lorsque l'on effectue la production d'un puits 1, tel celui foré dans
des formations géologiques comportant des hydrocarbures, le puits 1
est equipe d'au moins un tubage 3 et un conduit 4 pour des raisons de
sécurité, de manière à éviter une circulation de fluide entre le
cuvelage 2 et Le tubage 3. Ainsi, lorsque l'on déplace le deuxieme
organe 21 de connexion, le fluide présent sous celui-ci remonte par le
conduit 4. On ne sortira pas du cadre de l'invention, notamment lors
de la production a partir d'un puits, en reliant la liaison
hydraulique 12 à l'espace annulaire situé entre le tubage 3 et le
cuvelage Z et en supprimant le conduit 4.
Le deuxième organe 10 de connexion est relie aux instruments de
mesures 34, 35, 36, 37 respectivement, disposes dans les zones de
complétion 30, 31, 3Z, 33, au moyen des lignes electriques 38, 39, 40,
41. Ces instruments 34, 35, 36, 37 sont adaptés a mesurer le debit de
fluide traversant les vannes 14, 16, 18, 11 respectivement, la
température et la pression des fluides dans chacunes des zones de
completion 30, 31, 32, 33 respectivement. On pourra, de la même
manière que l'on effectue les mesures de pression, de débit et de
temperature, effectuer toutes autres sortes de mesures physiques et/ou
chimique et/ou physico-chimique, telles que la résistivité des fluides
des zones de production. En réalisant la liaison électrique entre les
appareils de mesures et la surface, il est possible d'obtenir a tout
moment et en temps reel les caractéristiques des fluides de chacune
des zones et ainsi établir au mieux un programme de production en
intervenant sur les vannes 14, 16, 18, 11 de chacune des zones. Par
exemple, lorsque le câble de transmission ne comporte qu'un seul
conducteur, on pourra utiliser un dispositif multiplex pour regrouper
les informations p~ovenant des instruments de mesure.
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Les vannes 14, 16, 18 sont sélectivement commandées depuis la surface
du sol, soit par des outils à cles (21, 21a), soit par une commande
hydraulique. Ces outils à clés sont manies au câble pour les puits
verticaux ou faiblement deviés, ou avec des moteurs hydrauliques pour
les puits admettant une circulation hydraulique, telle qu'on le
pratique avec la technique dite T.F.L. (de l'anglais "Through Flow
Line"), ou tout autre moyen, tel celui de la demande de brevet
~AnA~i~ 575.162 du 19 août 1988.
La figure 2 montre en détàil une vanne 45 hydraulique à chemise
coulissante 46, 47 adaptée à la production selective d'un puits selon
l'invention. Cette vanne 45 permet de mettre en communication ou non
l'exterieur et l'interieur du tubage.
Une ligne hydraulique 49, assurant la source d'énergie des élements de
puissance, tels de élements similaires a la vanne 45, communique par
un branchement 50 avec la vanne 45. Sur ce branchement 50 sont
~' .
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disposés des moyens de distribution, tels une electrovanne 51, reliés
par un câble électrique 48 à la prise 10 placee à l'extrémité
inférieure du tubage 3 (figure 1).
Cette électrovanne 45 assure l'ouverture et la fermeture de lacommunication entre la ligne hydraulique 45 et la chambre 52 de
poussée hydraulique de la chemise coulissante hydraulique 46.
La vanne 45 comporte un corps 53 exterieur cylindrique intercalé dans
le tubage 3 grâce à un raccord conique femelle 54 et un raccord
conique mâle 55 respectivement disposes en haut et en bas de la vanne.
Dans ce corps 53 réalisant l'enveloppe exterieure de la vanne sont
disposes, sensiblement dans le même plan perpendiculaire à l'axe du
tubage, quatre orifices 56 obturables modifiant la communication entre
l'interieur et l'extérieur du tubage.
.
L'obturation des orifices 56 est réalisée au moyen du coulissement de
la chemise hydraulique 46 ou de la chemise de sécurité 47.
Une allonge 57, séparant les chemises 46 et 47, définit avec la
chemise hydraulique 46 et le corps 53 la chambre 52 hydraulique de
poussée, et assure le guidage des chemises 46 et 47.
ZS La chemise hydraulique 46 coulisse entre deux positions extrêmes
définies d'une part par la cooperation d'une butée d'ouverture 58 avec
l'embout superieur 59 de la chemise hydraulique 46, et d'autre part
par la coopération d'un talon 60 d'une rainure 61 pratiquée à la
partie inférieure de la chemise hydraulique 46 avec le talon 62 de la
clavette 63. La clavette 63 est solidaire de l'allonge 57 et en
cooperant avec la rainure 61 positionne en rotation la chemise
hydraulique 46 par rapport au corps 53 de la vanne.
Un ressort de rappel 64, coopérant avec l'embout inférieur 65 de la
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chemise hydraulique 46 et un epaulement 66 de l'allonge 57, assure le
retour à la position repos de la chemise hydraulique 46 lorsque la
pression à l'interieur de la chambre de poussée 52 devient inférieure
à une valeur prédéterminée.
L'espace cylindrique 67 défini par l'epaulement 66, l'embout inférieur
65, le corps 53 et l'allonge 57, et dans lequel est placé Le ressort
64, débouche à l'interieur du tubage par un orifice 68 inférieur de
circulation et par un orifice 69 supérieur de circulation, une gorge
70 et des ajourages pratiqués dans la chemise 47 de sécurité, de
manière à permettre une circulation de fluide et à éviter le colmatage
du ressort 64. Au lieu de faire déboucher cet espace cylindrique 67
dans l'intérieur du tubage, on pourra connecter cet espace 67 avec une
chambre de compensation remplie avec un fluide restant propre, tel de
l'huile.
A l'intérieur de l'allonge cylindrique 57, coulisse La chemise 47 de
securité, entre deux positions definies par la coopération d'une Lame
élastique 71 comportant un ergot avec deux rainures annulaires
intérieures 72, 73 usinées dans l'allonge 57 et assignant a la chemise
47 une position haute et une position basse correspondant
respectivement à l'ouverture et la fermeture des orifices 56.
La chemise 47 de sécurité est commandée par un siège de clé 74 adapté
à coopérer avec la pene d'un outil circulant dans le tubage. La partie
superieure 75 du corps 53 de vanne, comporte au niveau de la chemise
47 de sécurité un chanfrein 76 adapté au dégagement du pène. La
chemise 47 est positionnée en rotation par rapport au corps 53 au
moyen d'un ergot 77 solidaire de l'aLLonge 57 et coopérant avec une
rainure 78 pratiquée dans La chemise 47.
L'extrémité inférièure de La vanne 45 comporte un embout 79 fixé au
corps 53 par un fiLetage 80, L'embout étant muni du raccord conique
mâLe 55.
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Sur le figure 2, la vanne 45 est représentée "normalement ouverte",
c'est-à-dire que lorsque la pression du fluide agissant sur la chemise
46 hydraulique est inférieure à une valeur déterminee, les orifices
disposes dans le corps de vanne ne sont pas obstrués par la chemise 46
du fait de la force de rappel du ressort 64 qui fait coopérer la butée
d'ouverture 58 avec l'embout superieur 59 de la chemise hydraulique
46.
On ne sortira pas du cadre de l'invention en realisant et en utilisant
une vanne "normalement fermée". Pour cela, il suffit par exemple de
relever les orifices pratiques dans la chemise hydraulique 46 d'une
manière telle que, lorsque la butée d'ouverture 58 coopère avec
l'embout supérieur 59, les orifices 56 sont obstrués au niveau de la
chemise hydraulique 46 et de manière que lorsque le talon 60 de la
rainure 61 coopère avec le talon 62 de la clavette 63, les orifices 56
sont libres au niveau de la chemise hydraulique 46.
La chambre de poussée 52 correspond a un reservoir adapté à contenir
une masse variable de fluide hydraulique.
La fermeture des orifices de la vanne 45 s'effectue en commandant par
la ligne électrique 48 l'ouverture des moyens de distribution 51, en
mettant une pression adaptée dans la ligne 49, de manière 3 créer un
écoulement de fluide dans un premier sens et faire ainsi descendre la
chemise 46.
Pour immobiliser la chemise 46 dans les positions où les orifices sont
ouverts ou fermes, quelle que soit la pression dans la ligne 49, on
ferme les moyens de distribution 51.
L'ouverture des orifices de la vannes 45 s'effectue en ouvrant les
moyens de distribution 51, de manière à mettre en communication la
chambre de poussee 52 avec la ligne hydraulique et en mettant une
pression adaptée dans la ligne 49, de manière à créer un écoulement de
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fluide dans un deuxième sens opposé au premier sens et faire ainsi
remonter la chemise 46, cette pression étant inférieure à la pression
de fermeture des orifices.
La figure 3 montre shematiquement un dispositif comportant des outils
et/ou instruments hydrauliques 81, 82, 83 disposés sur un tubage 90
placé dans le puits 1, le dispositif étant notamment adapté à la
production sélective de differentes zones, telles les zones 30, 31,
32, 33 de la figure 1 ou 84, 85, 86 de la figure 3. Ces outils et/ou
instruments peuvent être, par exemple des vannes illustrées par la
figure 2. Les zones 84, 85, 86 sont respectivement délimitées par des
éléments d'étanchéités 87-88, 88-89, 89 et le fond du puits.
Le dispositif comporte une première ligne 91 et eventuellement une
deuxième ligne hydraulique 92, ces lignes étant reliees aux outils
et/ou instruments par des branchements 93, 94 respectivement. Sur les
branchements 93 de la première ligne hydraulique 91 sont disposes des
moyens de distribution.
Des moyens de distribution des branchements 93 sont commandés par une
ligne électrique 95 reliée à un premier organe 96 de connexion
electrique dispose à la partie inférieure et intérieure du tubage et
adapté à cooperer avec un deuxième organe de connexion électrique
complémentaire relié à la surface du sol par un câble de transmission
22 (figure 1). Tout comme les moyens de distribution sont commandes
par une ligne électrique 95, on pourra commander ces moyens par des
lignes de commande hydraulique reliées, par exemple, à un organe de
connexion de commande hydraulique.
La premiere ligne 91 et éventuellement la deuxième ligne hydraulique
92 sont reliees à génerateur d'énergie hydraulique disposé soit à la
surface du sol, soit au voisinage des outils et/ou instruments.
Le câble de transmission pourra comporter une ligne électrique de
-
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puissance permettant d'alimenter un genérateur d'énergie hydraulique
disposé au voisinage des outils et/ou instruments.
La première ligne 91 et éventuellement la deuxieme ligne hydraulique
92 pourront etre reliees à un organe de connexion hydraulique disposé
à l'intérieur du tubage à sa partie inférieure, de la même manière que
la ligne électrique 95 est reliee à l'organe de connexion électrique,
cet organe de connexion hydraulique coopérant avec un organe
complémentaire relié à la surface du sol par une canalisation
hydraulique.
Ces organes de connexion hydrauliques et électriques pourront etre
associes dans une meme organe de connexion, et de meme ces lignes
hydrauliques et électriques pourront etre associées dans une meme
ligne.
Pour commander hydrauliquement et sélectivement, par deux sens de
circulation de fluide, au moins deux outils et/ou instruments 81, 82,
83 à l'aide seulement d'une ligne hydraulique, on utilise des outils
et/ou instruments pourvus de moyens de rappel permettant de revenir
dans une position initiale lorsque la pression a décru et on utilise
des moyens de distribution disposés sur des branchements 93 de la
premiere ligne 91 hydraulique avec les outils et/ou instruments.
Pour mettre en action un premier outil et/ou instrument :
- on ferme les moyens de distribution du deuxième desdits deux outils
et/ou instruments ou des autres outils et/ou intruments de manière à
réduire, voire stopper, une circulation de fluide dans le
branchement du deuxième outil et/ou instrument,
- on ouvre les moyens de distribution du premier outil et/ou
instrument de maniere à accroitre, la circulation de fluide dans le
branchement du premier outil et/ou instrument, et
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- on met une pression dans la première ligne 91 hydraulique de manière
à créer, dans le branchement du premier outil et/ou instrument, un
écoulement du fluide allant dans un premier sens.
Lorsque L'on veut stopper l'ecoulement de fluide, comme cela peut-être
le cas pour verrouiller une vanne, on ferme les moyens de distribution
du premier outil et/ou instrument.
Pour produire un écoulement dans le branchement du premier outil et/ou
instrument suivant un deuxième sens, opposé au premier sens, et de
cette manière manoeuvrer le premier outil et/ou instrument, on ouvre
les moyens de distribution du premier outil et/ou instrument, on
relâche la pression dans la première ligne hydraulique.
En produisant selectivement un écoulement dans le branchement d'un
outil et/ou instrument, suivant deux sens, il est ainsi possible de
manoeuvrer independamment toutes sortes d'outil ou d'instrument et
notamment des vannes.
De la même manière que l'on a manoeuvré le premier outil et/ouinstrument, on peut manoeuvrer autant d'outils et/ou instruments que
l'on voudra.
Pour commander hydrauliquement et sélectivement, suivant deux sens de
circulation de fluide, au moins deux outils et/ou instruments 81, 82,
83, à l'aide de deux lignes hydraulique seulement, on utilise une
première ligne hydraulique 91 comportant des branchements 93 avec les
outils et/ou instruments, la circulation dans ces branchements étant
contrôlée par des moyens de distribution places sur chacun de ces
branchements, et une deuxième ligne hydraulique 92 comportant des
branchements avec les outils et~ou instruments.
Pour mettre en action un premier outil et/ou instrument, on ferme les
moyens de distribution du deuxième desdits deux outils et/ou
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instruments, de manière à réduire voire à stopper, une circulation de
fluide dans les branchements du deuxième outil et/ou instrument :
- on ouvre les moyens de distribution du premier outil et/ou
instrument de manière à accro;tre, la circulation de fluide dans le
branchement du premier outil et/ou instrument, et
- on met, dans ladite premiere et/ou deuxième ligne, des pressions
adaptées à creer une circulation du fluide dans le branchement avec la
première ligne, suivant le premier et/ou le deuxième sens.
Pour permettre la circulation de fluide suivant le premier ou le
deuxième sens de circulation, comme cela peut être le cas pour ouvrir
ou fermer la vanne 45, on réalise une différence de pression positive
ou négative entre la première et la deuxième lignes.
De la meme manière que l'on a commandé le premier outil et/ou
instrument indépendamment du deuxieme, on pourra commander
indépendamment les uns des autres toutes sortes d'outils et/ou
instruments.
