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. ' . .021222 FW3PCT'
METHODE ET SYSTEME PERMETTANT D'AMELIORER LA RÉSISTANCE
A LA PRESSION EXTÉRIEURE D'UN TUBE DANS UN PUITS
Domaines d'auulication : - ~ -
s Cette invention concerne les installations de cuvelage des puits de pétrole
ét en particulier
une méthode et système pour améliorer la résistance en pression extérieure
d'un tube
descendu dans un puits à travers un ~ cuvelage précédent de diamètre réduit,
nécessitant une
déformation plastique pour ensuite reprendre ses dimensions finales dans une
cavitë située en
dessous du diamètre réduit du cuvelage précédent.
États de la technioae
D'une manière habituelle, les puits pétroliers sont forés en installant un ~
cuvelage
conducteur à une première profondeur puis en forant le puits jusqu'à une
deuxième
profondeur. Habituellement, un. cuvelage formé par~l'assemblage à l'aide d'un
connecteur des
longueurs de tube, chacune faisant environ 12 mètres de long, est descendue à
travers le
cuvelage conducteur jusqu'à la deuxième profondeur. Un laitier de ciment est
alors injecté
dans le cuvelage pour remonter dans l'espace annulaire entre le cuvelagè et
les parois du
puits. Le forage reprend jusqu'à une troisième profondeur et le procédé est
répété avec un
cuvelage de plus petit diamètre concentrique. Un cuvelage de diamètre encore
plus réduit peut
' être installé à une 4~" profondeur.
Les cuvelages servent à supporter les parois du puits et empêcher la perte des
boues de
forage dans les terrains, ou la production de fluides des terrains vers Ie
puits, à partir de
couches autres . que la zone de production prnj etée. La. configuration
concentrique de
cuvelages de plus en plus petits demande un forage de grand diamètre à la
partie supérieure
, du puits du fait de l'épaisseur des cuvelages et des connecteurs et
également du minimum de
jeu nécessaire à la circulation du ciment entre le cuvelage et la paroi du
puits.
Il existe des méthodes comme celle décrite pàr 1e brevet US 5,794,702 de
l'inventeur, qui
définit un système de cuvelage en continu permettant de descendre rapidement
un cuvelage
continu dans un puüs. Le cuvelage est enroulé par déformation plastique sur de
larges
3o bobines. Une unité d'injection redresse le cuvelage et replie sa section
transversale en forme
de fer à cheval à mesure qu'elle est déroulée de la. bobine pour entrer dans
le puits. Lorsque 1e
cuvelage .a atteint sa profondeur d'installation, il est réouvert
mécaniquement oû
hydrauliquement.
_Daars 1_
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La brevet US 5,?94,702 de l'inventeur décrit une méthode pour cuveler un puits
de forage
comprenant la descente d'un cuvelage ~. section repliée radialement, puis son
regonflage par
pompage d'un fluide dans sa configuration.cylindrique. Egalement, les brevets
US 5,979,560
et 6,253,852 de l'inventeur décrivent des appareils de fond de puits
comprenant des sections
de tubes qui sont pliées longitudinalement pour permettre leur descente dans
le puits puis
regonfl6es par pression interne pour reprendre leur forme cylindrique
initiale.
On peut également descendre dans un cuvelage, un cuvelage de plus petit
diamètre de
forme cylindrique et augmenter son diamètre par.dilatation de la paroi du tube
qui le compose
à l'aide d'un mandrin expansif. Dans ce cas on pousse ou tire un mandrin
dilatateur
1o comprenant un gremier diamètre égal au diamétre intérieur du tube et un
second diamètre égal
au diam8tre intérieur que l'on désire obtenu, ces deux diamètres étant reliés
par un tronc de
cône. C'est sur ce tronc de cône que se produit la dilatation plastique de la
paroi du tube qui
doit être au moins de l'ordre de 15% en augmentation de diambtre extérieur, et
c'est la
longueur axiale de cc c8ne qui limite l'épaisseur du tube envisageable du fait
du risque de
is provoquer des fissures par striction initiées sur des micro- défauts dans
la zone qui est trës
fortement allongée plastiqueznent.
Ces différentes méfihodes permettent donc la mise en place d'un tube d'un
diamétre donné
à travers un tube précëdent d'un diamètre réduit nécessitant une déformaüon
plastique pour
prendre ses dimensions finales dans une cavité située en dessous un cuvelage
précédent de
20 ~ diamètre réduit et par déformation plastique en une seule passe, lui
dormer son diamètre final.
Mais cette opëration donne soit une secüon irrégulibre au tube, qui consérve
la marque des
plis realisés lors du pliage dans le cas ou la section a été initialement
pliée, soit est limitée en
épaisseur dans Ie cas ou le tube est initialement cylindrique et est
simplement dilaté. Du fart
de ces irrégularités ou d'une épaisseur réduite, la résistance à la pression
extérieure est
25 grandement diminué par rapport aux cuvelages équivalents mis en place d'une
façon
tradüionnelle, les suivants plus petits à travers les précédents plus gros.
Eacnosé de l'invention
Par conséquent, le but de l'invention est d'o~ir une méthode pour améliorer 1a
rësistance
3o à la. pression extérieure des tubes qui doivent être déformés plastiquement
pour prendre leurs
formes et dimensions définitives quelque soit la technique utilisée pour les
introduire dans le
puits. Cette méthode améliore 1a résistance ~, la. pression extérieure des
tubes en améliorant
-ptl4P ~i.-
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d'une part 1a circularité de la section et d'autre part en permettant
l'utilisation de tubes .de
forte épaisseur.
L'objet de l'invention est donc une méthode permettant d'améliorer Ia
résistance en
pression extérieure d'un tube cylindrique mis en place dans un puits
préalablement. cuvelé,
offrant un passage à travers son cuvelage de dimension réduite, la méthode
comprenant la
descente du tube sous une première forme dont les dimensions sont inférieures
à la section
réduite, la mise en forme pour le faire passer de la première forme dans une
deuxième forme
sensiblement cylindrique ayant une dimension supérieure à la section réduite
et caractérisée
par l'expansion par dilatation du tube cylindrique sous la deuxième forme par
dëplacement
1o d'un mandrin dilatateur cylindrique à travers lui-même, la valeur
d'expansion périphérique
étant comprise entre 2 e~i 10 % de la valeur du périmètre inüial.
Cette méthode s'applique au système de cuvelage en diamètre unique qui
consiste à
descendre l'ensemble d'un cuvelage dans un puits à travers un cuvelage
précédent d'un
diamètre prédéterminé, et d'agrandir ce cuvelage par dépliage ou expansion au
diamètre
prédéterminé.
. Plus généralement, cette méthode s'applique à fouie section de tube qui doit
momentanément passer à travers une ouverture de dimension inférieure lors de
sa descente
dans un puits et doit reprendre par déformation plastique un diamètre final
supérieur aux
dimensions de f ouverture par laquelle elle a du momentanément passer.
2o Dans une caractérisation de (invention, le mandrin dilatateur sera déplacé
par (application
d'une pression en arriëre, l'étanchéité du mandrin dans le cuvelage étant
situëe en avant de la .
forme d' expansion du mandrin dilatateur.
Brève description des dessins
La figure 1 est une vue en coupe de la section du tube initial tel que
fabriqué.
La figure 2 est une vue en coupe de la section du tube replié tel qu'il est
descendu dans le
puits. .
La figure 3 est une vue en coupe de la section du tube regonflé par la
pression du fluide
d'ouverture.
3o La figure 4 est une vue en coupe de Ia section du tube final légèrement
expansé donnant un
passage suffisant pour l'introduction du tube suivant selon la figure 2.
La figure 5 est une vue en perspective du calibre dilatateur des deux premiers
mode de
mise en aeuvre de (invention.
_Paao ~_
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La figure 6 est une vue en coupe partielle en perspective du passage du
calibre dilatateur
des deux premiers modes de mise en aeuvre de l'invention.
La figure 7 est une vue en perspective d'un appareil replië passant à travers
un cuvelage de
diamètre réduit.
La figure 8 est une vue en coupe parüelle en perspective du cuvelage de
cuvelage final.
installé.
La. figure 9 est une vue en perspective du calibre dilatateur double. .
La figure 10 est une we en coupe parfiielle en perspective du passage du
calibre dilatateur
double.
1o La figure 11 est une vue en coupe partielle en perspective d'un cuvelage
replié.
La figure 12 est une vue en coupe partielle en perspective d'un cuvelage
expansible.
La. figure 13 est une we en coupe partielle en perspective du cuvelage final
avec la tête de
cuvelage forgée dans le pied de cuvelage du cuvelage prëcédent et le sabot
foré.
D, escriution détaillée de l'invention : . . .
Sur la figure 1, la section du tube 1 tel qu'il est fabriqué est circulaire et
rëguliére. Avant
d'être transporté sur Ie chantier de forage, ce tube est replié en forme de U
2 comme illustré
sur la figure 2 pour réduire ses dimensions radiales et permettre san passage
dans le précédent
cuvelage constitué de tubes de dimensions identiques. Le cuvelage qui peut
avoir une
longueur de quelques centaines de métras, à quelques, milliers de mëtre est
soit continu et
enroulé sur une bobine en configuration replié, soit assemblé en surface à la
verticale du puits
d l' aide de longueur de 12 métras de tubes . replié sur la. quasi totalité de
la longueur ~.
l' exception des extrémités.
Quelque soit la méthode d'a~ssemblagè et de transport sur le chantier de
forage, le cuvelage
est descendue dans le puits puis regonflée' par pompage de fluide dans Ie
cuvelage. Le
regonflage en pression donne une section 3 illustrée par la figure 3. Comme on
peut le
constater cette section est sensiblement circulaire mais irréguliére et
présente la marque des
plis réalisés lors du pliage de la section.. En effet les plis convexe 2a se
retrouvent en 2b et 1e
pli concave 3a se retrouve en 3b. En fait ce ne sont pas les plis qui reste
mais les départs et
arrivës de plis qui représentent des points durs.
Si ces irrégularités n'ont que peu, d'effets sur la. capacité du tube en
pression intérieure, la
présence locale de grands rayons de courbure 2c et de mëplat 2d affecte
considérablement les
performances en pression extérieure lorsqu'on les compare aux performances du
tube initial.
Pane d-
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Sur la figure 5, le mandrin dilatateur 100 comprend une partie active 101
constituée par tm
cylindre au diamétre d'expansion précédë par un cône d'expansion 102. A la
partie supérieure
on attache l'extrémité inférieure de Ia. garniture de forage 103. Le mandrin
dilatateur peut
ainsi remplir son once en utilisant le poids de Ia garniture, alourdie par des
liges-masses (non
reprësentées) pour effectuer l'opération d'expansion. Enfin une tête conique
104 est disposée
à sa partie inîérieure.
.. Dans certain cas, par exemple lorsque la section de forage est horizontale
ou quasi
horizontale, ou- bien Lorsque l'application d'un poids suffisant sur le
mandrin dilatateur pose
des problèmes, il peut être avantageux de pomper le mandrin dilatateur et dans
ce cas une ou
des coupelles 103 haute pression en élastomère seront disposées sur le corps
~du mandrin
dilatateur généralement au dessus de celui-ci afin d'exercer une poussée sur
ce dernier en
faisant une étanchéité glissante-sur 1â surface intérieure brut de laminage du
cuvelage.
Néanmoins il peut être avantageux de disposer les coupelles 103 en dessous du
mandrin
dilatateur comme illustrë sur la figure 5 afin d'un part de propulser le
mandrin dilatateur et
d'autre part d'utiliser la pression de poussée pour mettre en pression
intérieure Ia partie de
tube à dilater. ~En effet ceci diminue l'effort axial d'expansion en mettant
le tube sous tension
citconferentielle et en diminuant les efforts de contact du tube sur la.
partie cylindrique 101 du
mandrin dilatateur.
Sur Ia figure 6, le mandrin dilatateur 100 est forcé à travers le cuvelage 99
pour réaliser
2o une légère expansion de la circonférence du tube dans le domaine plastique.
La section 105
qui a le pmfil de la figure 3 est étirée en passant sur le c8ne 102 suivi du
cylindre 101 et prend
le profile 106 de la -figure 4. Cette-Légère expansion permet de fortement
réduire la marque des
plis et de ce fait redonne une forme régulière au cuvelage qui reprend la
section illustrée à la
figure 4. Cette expansion accroît la longueur de la circonférence extérieure
du cuvelage de 2 à
10% (figure 1 et 4) et donc en conséquence le diamètre extérieur dans Ie même
rapport.
Se référant à la figure 11, 1e cuvelage 6 de cuvelages repliés est formée de
longueurs
multiples de cuvelages repliés 8. Le cuvelage 6 comprend une suspension en
tête 26
connectée par des longueurs de cuvelage 8 au rëceptacle 28 également replié et
à un sabot 34
partiellement replié. La suspension de téte 26 -comprend des doigts
d'accrochage 30. La
3o suspension 26 conzporte également des rainures triangulaires
circonférer~aielles 27 sur sa
surface extérieure. De préférence, un revétement de métal mou est disposé en
fond de rainure
triangulaire 27 pour faciliter l'étanchéité. Un profil à rainure intérieure 3I
est disposé sur le
dit intérieure de la suspension 26 pour permettre l'accrochage sur l'outil de
pose 50
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' (non représenté). Le cuvelage 8 relié à la suspension de tête 26 peut
s'étendre en cuvelage 6
sur plusieurs milliers de métres. '
Le réceptacle de pied 28 comprend un profil à rainure intérieure 32 destiné â
recevoir les
doigts d'accrochage 30 de la suspension de tête 26 du cuvelage suivie (non
visible) qui sera
suspendue en dessous. Le réceptacle de pied 28 a une surîace de rainure
triangulaire 29 qui
d'une manibre similaire coopère avec les rainures triangulaires 27 de la
suspension de tête 26
de la prochaine cuvelage (non visible) qui sera suspendue en dessous.
Le sabot~de cimentation 34 est décalé par rapport à l'axe du cuvelage 6 et
comprend un
clapet asti-retour 35 avec un siège supérieur d'étanchéitë 38, un siége
ipfërieur 36 maintenu
1o en place par des goupilles de cisaillement 37, étanche dans le sabot de
cimentation 34 par des
joints, une bille flattante 39 et un passage de fluide 40 reliant le clapet
asti-retom~ 35 ~ la
sortie inférieure. La figure 11 montre le cuvelage 6 et la suspension de tête
28 dans une
_ configuration repliée. La suspension de tête 26 et le 'sabot 34 ne sont pas
repliés. La
suspension de tête 26 sera dans un premier temps expansée cylindriquement pour
permettre la
, descente de l'outil de pose et du mandrin dilatateur, puis sera finalement
dilatée en sertissage
dans le réceptacle de pied 28 de la, précédente cuvelage installée.
La figure 12 montre Ia même configuration de cuvelage que la figure 11 à
l'exception près
que le corps du cuvelage est constitué de tubes dilaxables 8' et non replié 8'
mais on retrouve
les mêmes~têtes de cuvelage 26 dilatables et pied de cuvelage 28 replié décrit
sur la figure 1 I.
2o Se référant ~.1a figure 13, la. suspension de tête 26 est suspendue à la
précédente cuvelage
dépliée 5 par.l'interxnédiaire des doigts d'accrochage 30. Les rainures
triangulaires 27 ont été
déformées pour interpénétrer les rainures triangulaires 28 du précédent
cuvelage 5. Le
cuvelage 8 a été regonflé.
Comme on peut le constater, un système de cuvelage peut être construit autour
d'un'
cuvelage replié. La réduction de diamélxe pour sa descente é. travers du
cuvelage précédent de
même dimension peut être obtenu ~ partir de la technique de pliage de tube ou
de la technique
connue de forte expansion d'un tube. Comme nous venons de le voir, iI est
avantageux de
combiner les techniques de pliage et d'expansïon en repliant un cuvelage de 6-
5/8' pour
obtenir un diamètre' extérieur de 6' et, ensuite â la. place de mandrin
dilatateur au même
3o diamètre de le dilater Iëgèrement pour obtenir un diamètre de T (5,7%
d'expansion) et en
conséquence étre capable de combiner la capacité d'utiliser des tubes ëpais et
l'écmuissage
réduit de la technique repliée avec 1a bonne gëométrie de la technique
expansée. Si I'on avait
voulu prendre un âuvelage de 6" qui passe à travers un cuvelage de ?", et 1e
dilater pour
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obtenir un cuvelage ~de 7", c'est une expartision de 16,7% qu'il faudrait
réaliser avec les
limitations que nous avons évoquées précédemment. On pointa obtenir un
résultat similaire
en complémentant une première expansion de mise en place avec une deuxième et
ainsi
limiter la valeur de l'expansion qui doit être réalisé en une fois.
En dépit du fait que les cuvelages sont considérées comme assemblëes à partir
de
longueurs droites. dans la description précédente, des cuvelages continus sur
bobines tel que
dëcrit dans le brevet US 5,794,702 peuvent être également utilisés pour
construire un système
de cuvelage plié-regonflé profitant de performances en pression extérïeure
améliorées par
l'opération gonflage suivie d'une légère expansion décrité ci-dessus.
1o Dans un~deuxième mode d'utilisation du dispositif de l'invention, un
appareil de fond de
puits 110 (figure 7) comportant des sections de tube 111a et 112a est écrasé
avec ses sections
de tube repliés pour permettre sa descente dans le passage réduit d'un
cuvelage 115 de puits.
Un exemple de type d'appareil est d~rit dans les brevets US 5,979,560 et
6,253,852.
Lorsque celui-ci atteint la bonne profondeur qui présente une cavité élargie
(non
représentée), l'appareil est regonflé (figure 8) par pompage d'un fluide, ce
qui lui donne une
forme générale cylindrique 120. Mais comme précédemment celte forme regonflée
présente
sur les parties droite des tubes l l lb et 112b constituant l'appareil, des
variations de rayons de
courbure localisées au droit des précédents pliages (voir figure 3) et iI est
nécessaire de les
éliminer pour améliorer 1a résistance â la pression extérieure de ces
sections. Ceci est réalisé
' par une action mécanique d'un mandrin légèrement dilatateur (figure 5) tel
que précédemment
décrit pour le premier mode d'utilisation qui est introduit sur une garniture
de forage à travers
l'appareil et qui s'engage successivement dans les deux branches lllb et 112b
poux réaliser
une légére expansion des aubes constituant celles-ci.
Dans 1e cas d'appareil de fond de puits 110, quï comporte deux branches 111 et
112, ii est
avantageux de les plier avec un pli sur chaque tube I16 et 117 faisant face
l'un é. l'autre ce qui
donne des sections 121 et 122 en forme de U face à face. Les marques des plis
116 et 117, qui
persiste aprés regonflage (figure 3) sont totalement effacées par l'opération
d'expansion
légère et les sections redeviennent parfaitement circulaire 123 et 124 avec
une augmentation
de diamétre de 2 x.10 %.
Sur la figure 9, le mandrin dilatateur 200 comprend une partie active ZOl
constituée par
deux cylindres expansifs, l'un étant au diamétre final d'expansion 211 et
(autre
approximativement au diamètre intermédiaire 2I2 entre le diamètre final et le
diam8tre du
cuvelage expansif initial. Ces diamètres sont précédés par deux c8ne
d'expansion 213 et.214
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' ~ respecüvement. A la partie supérieure on attache l'extrémité inférieure de
la garniture dé
forage 103. Le mandrin dilatateur peut ainsi remplir son office en utilisant
le poids de la
garniture, alourdie par des tiges-masses (non représentées) pour effectuer
fopéraüori
d'expansion. Enfin une tête conique 104 est dispose é sa partie inférieure.
Dans certains cas, par exemple lorsque la section de forage est horizontale oc
quasi
horizontale, ou bien lorsque l'application d'un poids suffisant sur le mandrin
dilatateur pose
des problèmes, il peut-âtre avantageux de pomper le mandrin dilatateur et dans
ce cas une ou
des coupelles haute gression 103 en élastomère seront disposées sur le corps
du mandrin
dilatateur généralement au dessus de celui-ci afin de propulser ce dernier en
faisant une
1o étanchéité glissante sur la surface intérieure brut de laminage du
cuvelage.
hIëanmoins il peut étaye avantageux de disposer les coupelles 103 en dessous
du mandrin
dilatateur comme illustrée sur la figure 9 afin d'utiliser la pression de
poussée pour mettre en
pression intérieur la partie de tube à dilater (206, 208). En effet ceci
diminue l'effort axial
d'expansion en mettant le cube sous tension circonferentielle et en diminuant
les efforts de
contact du tube sur les parties cylindrique 211 et 212 du mandrin dilatateur
200.
Sur la figure 10, le mandrin dilatateur 200 est forcë â travers le cuvelage
expansible 199
pour realiser successiv~ent deux expansions distinctes de la circonférence du
tube dans le
domaine plastique. La section 205 initiale qui est circulaire est étirée en
forme de cône 206
en passant sur le cône 214 suivi du cylindre 212 et prend le diam8tre
circulaire 207 puis est de
2o nouveau étirée en forme de cône 208 en passant sur le c6ne 213 suivi du
cylindre 211 et
prend le diamètre circulaire 209. Cette expansion en deux étapes 206 et 208
permet de traiter
des fortes épaisseurs alors qu'une expansion en une seule étape demanderait
une zone
plastique du double de la longueur ce qui augmenterait grandement la
possibilité de
sirictionner longituâinalement la zone étirée en présence d'un défaut de
longueur donnée. On
comprend bien que la zone étirée doit être maintenue circonférentiellement
pour éviter la
formation de striction en présence de défauts, or dès que l'on augmente le
rapport d'expansion
au delà de 10°l0 on âiminue sensiblement la tolérance au défaut
En dépit du fait que les cuvelages sont assemblées à parür de longueurs
droites dans ia
description, des cuvelages conüxlus sur bobines peuvent être utilisés pour
construire un
3o systéme de cuvelage à diamètre unique.
-Paie 8-
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