EP0325541A1 - Procédé d'isolation entre zones de production d'un puits et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé d'isolation entre zones de production d'un puits et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé Download PDF

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EP0325541A1
EP0325541A1 EP89400163A EP89400163A EP0325541A1 EP 0325541 A1 EP0325541 A1 EP 0325541A1 EP 89400163 A EP89400163 A EP 89400163A EP 89400163 A EP89400163 A EP 89400163A EP 0325541 A1 EP0325541 A1 EP 0325541A1
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EP
European Patent Office
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well
space
production
membrane
column
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EP89400163A
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German (de)
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EP0325541B1 (fr
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André Cheymol
Alain Basse
François Claude Gueuret
Gilbert Claude Blu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hutchinson SA
MERIP OIL TOOLS INTERNATIONAL SA
Original Assignee
Hutchinson SA
MERIP OIL TOOLS INTERNATIONAL SA
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
    • E21B33/134—Bridging plugs
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12—Packers; Plugs
    • E21B33/126—Packers; Plugs with fluid-pressure-operated elastic cup or skirt

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing in situ a seal between an inner wall portion of an oil well, or the like, and an outer wall portion of a production column (or exploitation ) of this well, as well as a device for implementing this method.
  • the invention also relates to a method of isolating (or separating) between at least two production zones of a well.
  • casing in English terminology -saxonne: we also speak of casing in French terminology.
  • sealing is obtained by cementing the aforementioned space using, sometimes, auxiliary sealing devices called inflatable cementing packers.
  • These packers are O-ring seals comprising a double elastomer wall reinforced by a metal braid; this double wall delimits an inflatable chamber using cement (or water or oil) up to 1.6 times their nominal diameter, under a maximum allowable pressure of 110 to 120 bars, via a safety valves.
  • the subject of the present invention is a method of in situ manufacturing of a seal for an annular space comprised between an inner wall portion of a well and a corresponding outer wall portion of a production column, which are adjacent to a production area of this well, which process comprises the following steps: - delimitation of the annular space intended to be occupied by the seal, - Injection into the annular space thus delimited of a material intended to completely fill this space and to ensure the required seal between well and production column by adapting to the irregularities of the wall of the well.
  • the material to be injected into the annular space consists of a crosslinking mastic resistant to effluents from the well.
  • it further comprises an operation of separation of the injected material, with respect to the fluids normally existing between the production column and the well, and an operation of ejection of these fluids outside the aforementioned space so that it is completely filled by the injection of the sealing material.
  • the present invention also relates to a device for implementing the method according to the invention, characterized in that it comprises: - two means of confining the annular space to be sealed, means for separating the material to be injected, with respect to the fluids normally existing between the production column and the well, and the ejection of these fluids outside the aforementioned space while allowing it to be completely filled with the sealing material.
  • the means for confining said space consist of first and second elastomeric annular membranes carried by the production column and applied against the latter at the ends of a wall portion outer of this column corresponding to a portion of the inner wall of the well, - each of these portions defining the axial size of the aforementioned space - between each confinement membrane and the existing production column an inflatable chamber using 'a pressurized fluid, such as water or oil, which expands the membrane radially until it comes into contact with the opposite wall of the well, under the action of the inflation pressure.
  • a pressurized fluid such as water or oil
  • the internal and external ends of the two containment membranes cooperate with means (known per se) making it possible to secure them to the production column, respectively, in a fixed manner and so as to slide the along the latter, under the action of the inflation pressure of said confinement membranes.
  • the means for separating the material to be injected, from the fluids normally existing between the well and the production column, and for ejecting these fluids outside the above space include: - a (third) annular elastomeric separation membrane interposed between the two containment membranes and applied against the production column, on the outer wall portion thereof which substantially defines the axial size of the aforementioned space, between the separation membrane and the production column an injection chamber for the material injected under pressure, which fills with this material, the distribution of which it guides in the aforementioned space, under the action of the injection pressure, ci radially expanding the separation membrane, thereby pushing the fluids present in the aforementioned space towards the confinement membranes previously also radially expanded by said inflation pressure.
  • each confinement membrane a plurality of axial grooves distributed uniformly on the external surface of each confinement membrane, which grooves define channels for the passage of the abovementioned fluids when the confinement membranes, expanded radially under the action of the inflation pressure, come into contact with the wall of the well, said separation membrane having an annular zone of least resistance which is intended to tear under the action of the injection pressure, the portions of the membrane thus torn closing the aforementioned channels and preventing the reflux of fluids expelled by the injection pressure into this space, which is thus completely filled with said sealing material.
  • the present invention further relates to a method of isolation (or separation) between at least two production zones of a well, separated by an axial gap, characterized in that one manufactures in situ between the well and a column production of this well, a seal at least at each of the ends of the aforementioned gap between the two production areas, using the method and the implementation device in accordance with the foregoing provisions.
  • FIGS. 1 to 4 schematically illustrate the different steps of the method according to the invention, aimed at manufacturing in situ a seal in an annular space which separates an inner wall portion of a well from a corresponding wall portion external of a production column of this well
  • - Figure 5 is a cross section of one of the two containment membranes of the aforementioned space, which composes a device for implementing the above process, illustrated in FIGS. 1 to 4,
  • - Figure 6 is a schematic illustration of a well with its production column in which are represented two production areas which are isolated (or separated) from each other by two seals made using the method according to invention.
  • zones Z1 and Z2 illustrated in FIG. 6 To isolate (or separate) two production zones, such as zones Z1 and Z2 illustrated in FIG. 6, from a well P, it is necessary to prevent any communication between them by the annular space 5 separating the well P of its production column T over the entire height H of the interval between the two zones Z1 and Z2.
  • the present invention provides a solution which, although not intended to systematically replace the
  • the aim of the cementing technique is to reduce it as much as possible (for example, by limiting it - for practical reasons of surface exploitation - to the only upper part of the well, as illustrated schematically by the reference C in Figure 6 ) with significant advantages (compared to the assisted cementing technique, possibly by the use of inflatable cementation packers), some of which have been mentioned under A) to E).
  • the insulation between two zones Z1 and Z2 is obtained by manufacturing in situ seals 18 at the ends of the gap H separating the two zones, each joint being obtained by a prior step of delimitation of the annular space intended to be occupied by the seal, followed by a step of injecting into the annular space thus delimited, a material capable not only of completely filling this space, but also of adapting perfectly to the irregularities in the rock delimiting the internal wall of the well.
  • the crosslinking time can be between approximately 1 hour and approximately 24 hours, depending on the temperature existing at the level of the injection of the sealant as well as the needs of the operation.
  • the in situ manufacturing process for the seal provides for the separation of the sealant from the mud during injection, while ejecting the mud from the space which must be occupied by the sealant.
  • a device 1 essentially comprising two means for confining the annular space to be sealed and means for separating the putty to be injected from the mud, and for ejecting it. this outside the space that needs to be filled with putty.
  • the containment means consist of two identical elastomeric annular membranes, 2, which are applied against the external surface of the production column T.
  • each confinement membrane 2 and the production column T there is a chamber 6 inflatable using a pressurized fluid, such as water or oil, which expands the membrane radially (cf. FIG. 2) under the action of the inflation pressure, until it comes into contact with the wall of the well P, thus delimiting the space 5 to be sealed.
  • a pressurized fluid such as water or oil
  • the internal ends 3 (relative to the space 5) of each of these membranes are fixedly secured to the column T by means (not shown, as known to technicians in the field). material) which at the same time inject the inflation fluid into the containment membranes.
  • the device for implementing the method according to the invention comprises a third membrane 8, the ends 9 and 10 of which are connected to the internal ends 3 of the containment membranes 2 and fixedly secured to the column T together with the ends 3.
  • the presence of the membrane 8 therefore makes it possible to effect the injection of the mastic 11 (of course, through the wall of the production column T) in the chamber 20 delimited between the membrane 8 and the column T, so that that -this does not come into contact with the mud existing in space 5.
  • each of the containment membranes 2 has axial grooves 12 (see also FIG. 5) distributed uniformly around the periphery of each membrane. These grooves define channels 13 when the membranes come into contact with the internal wall of the well P.
  • the mud existing in the space 5 is therefore ejected outside this space by the passage channels 13 under the action of the mastic injection pressure (the pressure difference between the mastic pressure and the pressure of the completion sludge existing in the space to be sealed is, for example, of the order of about 30 bars) on the membrane partition 8, which - as can be seen in Figure 3 - also has the role of guiding the distribution of the sealant 11 in space 5.
  • the separation membrane 8 has an annular zone 15 of less resistance which tears under the action of the pressure d injection, when the membrane has expanded until most of the mud has been ejected through the channels 13.
  • the tearing of the membrane 8 divides it into two portions 16 and 17 which seal the channels 13 at the end of the injection of the putty and which prevent the reflux of the mud towards the space 5: in this way, the crosslinking of the putty takes place in the best conditions thus making it possible to obtain a perfectly tight seal 18.
  • Figures 1 to 4 schematically represent the different stages of manufacture of the seal 18, using the device 1 for implementing this method.
  • FIG. 1 illustrates the phase prior to the execution of the manufacturing process, which includes the descent into the well P of the production column T equipped with a device 1 pressed against the external surface of the column: it is possible to appreciate that because of the relatively thin thickness of the membranes constituting the device 1, there is a relatively large space between the latter and the well P, which avoids the problems of piston and damage existing with the cement packers inflatable from the prior art.
  • the reduction in thickness, in particular of the containment membranes 2 is due to the fact that the latter, in the inflated state, do not constitute seals but, as has been specified above, essentially provisional means confinement of the annular space 5 to be sealed.
  • FIG. 2 illustrates the first step of the process for manufacturing the seal 18, which consists in delimiting the space 5 by inflating the chambers 6 delimited between each confinement membrane 2 and the production column T.
  • FIG. 3 illustrates the second phase of the process for manufacturing the seal 18, consisting in injecting the putty 11 into the chamber 20 delimited between the separation membrane 8 and the production column T.
  • FIG. 4 illustrates the situation existing at the end of the second step, when the portions 16 and 17 of the separation membrane 8, torn at its zone of least resistance 15, close the passage channels 13 thus preventing the reflux of the mud through these channels and allowing the complete filling of the space 5 with the putty 11 so as to produce a perfect seal, 18.
  • the invention is in no way limited to those of its modes of implementation, embodiment and application which have just been described more explicitly; on the contrary, it embraces all the variants which may come to the mind of the technician in the matter, without departing from the scope, or the scope, of the present invention.
  • the injection of sealant can be done through an orifice formed in the wall of the production column T (and, of course, normally closes with a valve sensitive to a certain pressure threshold ) and this by descending inside the column an injection device
  • other systems can be used for this purpose.
  • the stuffing box cooperates with two support rings and two VHT seals (designated by the Anglo-Saxon names “back-up rings” and “chevron packing”).
  • O-rings carried by a seal ring, ensure the seal during the sliding of the nut and the stuffing box.
  • This nut can be, if necessary, fixed, at the other end, to a breaking sleeve ("shear sleeve"), the function is to keep the membrane contracted during the descent of the production column.
  • the separation membrane which may not have zones of least resistance.
  • the tearing of the separation membrane could be caused by the sole action of the injection pressure, without it being necessary to provide any zone of least resistance in the membrane.
  • a very deformable and non-tearable membrane which is capable of adapting (by simple deformation, therefore), under the action of the injection pressure, to the irregularities of the internal surface of the well, without that it is necessary to provide for the tearing of the membrane to bring the sealant into contact with the wall of the well: in this case, we could even replace the sealant with a simple swelling product of the separation membrane; however, even if the separation membrane is designed to remain intact, accidental tears may occur due to localized differences in the thickness of the space to be sealed, generally very irregular, so it is preferable to use a cross-linking putty product to ensure in each case the perfect seal of the aforementioned space; - This crosslinking putty, which must not only be resistant to effluents, very aggressive, from the well (such as aromatic oils, etc.), but also to water which can have a very variable pH, for example between 2 and 12, as well as at the high temperatures and high pressures existing in the wells which can range, respectively, up to
  • sealants constituted by liquid elastomers, such as fluorinated silicones, polysulfides, polythioethers as well as epoxy or phenolic resins, in particular swellable; - the elastomers of which the separation and containment membranes are made (very deformable, like the separation membrane), which must also resist the same conditions of temperature, pressure and pH mentioned above for the sealant and which can be, for example for example, fluorinated elastomers (fluoro-carbon or fluoro-silicone) or acrylo-nitriles (or other saturated nitriles).
  • fluorinated silicones fluoro-carbon or fluoro-silicone
  • acrylo-nitriles or other saturated nitriles

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Abstract

L'invention concerne un procédé de séparation entre au moins deux zones de production d'un puits (P), à l'aide du procédé et du dispositif suivants. Le procédé est un procédé de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité (18) d'un espace annulaire (5), compris entre un puits (P) et une colonne de production (T), et adjacent à une zone de production de ce puits, comprenant les étapes suivantes : - délimitation de l'espace annulaire (5) destiné à être occupé par le joint (18), - injection dans l'espace annulaire d'un matériau (11) d'étanchéité. Le dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend : - deux moyens de confinement (2-2) de l'espace annulaire (5) à rendre étanche, - des moyens (8, 13) de séparation du matériau à injecter (11) - par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P) - et d'éjection de ces fluiudes en dehors de l'espace précité (5). Application à l'industrie du forage, notamment de puits pétroliers ou analogues.

Description

  • La présente invention est relative à un procédé de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité entre une portion de paroi interne d'un puits de pétrole, ou ana­logue, et une portion de paroi externe d'une colonne de production (ou exploitation) de ce puits,ainsi qu'à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne également un procédé d'isolation (ou séparation) entre au moins deux zones de production d'un puits.
  • Lors de la mise en production ou au cours de l'exploitation d'un gisement, il peut être utile d'isoler (ou séparer) parfaitement des zones de production exis­tant le long d'un puits pour différentes raisons, notam­ment parce que :
    • a)la réglementation locale l'exige,
    • b)il y a incompatibilité entre les fluides (ou effluents) produits par les différentes zones ou les pressions de ces fluides,
    • c)les pressions des fluides des différentes zones de production évoluent de façon différente,
    • d) l'eau ou du gaz vient se mélanger au fluide produit par au moins une des zones productrices.
  • Les zones de production sont isolées en rendant étanche l'espace existant entre une portion de paroi interne d'une formation rocheuse d'un puits et une portion correspondante de paroi externe d'une colonne de produc­tion (dite "casing" dans la terminologie anglo-saxonne: on parle aussi de tubage dans la termino­logie française).
  • Dans l'Art antérieur l'étanchéité est obtenue par cimentation de l'espace précité à l'aide, parfois, de dispositifs d'étanchéité auxiliaires dits packers de cimentation gonflables.
  • Ces packers sont des joints d'étanchéité toriques comportant une double paroi élastomère renforcée par une tresse métallique ; cette double paroi délimite une chambre gonflable à l'aide de ciment (ou d'eau ou d'huile) jusqu'à 1,6 fois leur diamètre nominal, sous une pression maximale admise de 110 à 120 bars, par l'in­termédiaire d'un système de sécurité à clapets.
  • Toutefois, en ce qui concerne la cimentation de la colonne de production, celle-ci est souvent impar­faite et la restauration de l'étanchéité longue et incer­taine; tandis que,les packers de cimentations gonflables, bien que ceux-ci facilitent la réalisation de l'étanchéité par cimentation, présentent des limitations et des incon­vénients, notamment en ce qui concerne :
    • i) leur gonflage,qui ne peut pas dépasser la valeur indi­quée plus haut,
    • ii) la diminution de pression admissible à plein diamètre, qui n'est que d'environ 70 bars,
    • iii)l'adaptation au contour du puits de production, qui ne doit pas présenter de variations de courbure trop brusques ; en outre, même avec des puits présentant un contour acceptable, l'étanchéité n'est pas parfaite parce que la paroi élastomère relativement rigide du packer (à cause de son épaisseur et de la présence de la tresse métallique) ne remplit pas complètement les irré­gularités de la roche,
    • iv)l'encombrement radial en condition de repos, qui peut dépasser, au moins localement et avec les valeurs clas­siques du diamètre du puits et du diamètre nominal du casing, l'épaisseur de l'espace existant entre le puits et le casing, ce qui entraîne le risque de pistonnage et d'endommagement du packer pendant la descente de la colonne de production, autour de laquelle est monté le packer,
    • v) le gonflage du packer, qui n'a lieu qu'en fin de cimentation, à savoir tardivement par rapport aux exigences de centrage de la colonne de production, qui peut donc être cimentée de façon excentrique par rapport au puits.
  • La présente invention s'est donc donné pour but de pourvoir à un procédé de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité entre une portion de paroi interne d'un puits et une portion de paroi externe d'une colonne de produc­tion, qui répond aux nécessités de la pratique mieux que les procédés visant au même but antérieurement connus, notamment en ce que :
    • A)on obtient un bon centrage de la colonne de production par rapport au puits,
    • B)le joint d'étanchéité ainsi obtenu remplit parfaitement l'espace annulaire entre les deux portions choisies et correspondantes de paroi du puits et de la colonne de production,
    • C)le joint d'étanchéité résiste efficacement à des varia­tions de pression résultant des variations des condi­tions d'exploitation (notamment définies par une stimu­lation, une fracturation, etc...),
    • D)le joint d'étanchéité résiste chimiquement à l'action des effluents du puits,
    • E)il est possible de restaurer facilement l'étanchéité, le cas échéant.
  • La présente invention a pour objet un procédé de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité d'un espace annulaire compris entre une portion de paroi interne d'un puits et une portion correspondante de paroi externe d'une colonne de production, qui sont adjacentes à une zone de production de ce puits, lequel procédé comprend les étapes suivantes :
    - délimitation de l'espace annulaire destiné à être occupé par le joint,
    - injection dans l'espace annulaire ainsi délimité d'un matériau destiné à remplir complètement cet espace et à assurer l'étanchéité requise entre puits et colonne de production en s'adaptant aux irrégularités de la paroi du puits.
  • Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé conforme à l'invention, le matériau à injecter dans l'espace annulaire est constitué par un mastic réticulant résistant aux effluents du puits.
  • Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré du procédé conforme à l'invention, celui-ci comprend en outre une opération de séparation du matériau injecté,par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production et le puits,et une opération d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace précité pour que celui-ci soit rempli complètement par l'injection du matériau d'étanchéité.
  • La présente invention a également pour objet un dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à l'in­vention, caractérisé en ce qu'il comprend :
    - deux moyens de confinement de l'espace annulaire à rendre étanche,
    - des moyens de separation du matériau à injecter,par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production et le puits,et l'éjec­tion de ces fluides en dehors de l'espace précité tout en permettant qu'il soit rempli complètement par le matériau d'étanchéité.
  • Selon un mode de réalisation préféré du dispo­sitif conforme à l'invention, les moyens de confinement dudit espace sont constitués par une première et une deuxième membranes annulaires élastomères portées par la colonne de production et appliqueés contre cette dernière aux extrémités d'une portion de paroi externe de cette colonne correspondant à une portion de paroi interne du puits, - chacune de ces portions définissant l'encombrement axial de l'espace précité -, entre chaque membrane de confi­nement et la colonne de production existant une chambre gonflable à l'aide d'un fluide sous pression, tel qu'eau ou huile, qui dilate la membrane radialement jusqu'à venir en contact avec la paroi opposée du puits,sous l'action de la pression de gonflage.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, les extrémités internes et externes des deux membranes de confinement coopèrent avec des moyens (connus en soi) permettant de les solidariser à la colonne de production, respectivement, de façon fixe et de manière à coulisser le long de cette der­nière, sous l'action de la pression de gonflage des­dites membranes de confinement.
  • Selon un autre mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention, les moyens de sépara­tion du matériau à injecter, par rapport aux fluides nor­malement existant entre le puits et la colonne de produc­tion,et d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace précité, comprennent :
    - une (troisième) membrane annulaire élastomère de sépa­ration interposée entre les deux membranes de confine­ment et appliquée contre la colonne de production,sur la portion de paroi externe de celle-ci qui définit sensiblement l'encombrement axial de l'espace précité, entre la membrane de séparation et la colonne de pro­duction existant une chambre d'injection du matériau injecté sous pression, qui se remplit de ce matériau dont il guide la répartition dans l'espace précité,sous l'action de la pression d'injection, celle-ci dilatant radialement la membrane de séparation, poussant ainsi les fluides présents dans l'espace précité vers les mem­branes de confinement préalablement également dilatées radialement par ladite pression de gonflage.
    - une pluralité de gorges axiales distribuées unifor­mément sur la surface externe de chaque membrane de confinement,lesquelles gorges définissent des canaux de passage des fluides précités lorsque les membranes de confinement,dilatées radialement sous l'action de la pres­sion de gonflage, viennent en contact avec la paroi du puits, ladite membrane de séparation présentant une zone annulaire de moindre résistance qui est destinée à se déchirer sous l'action de la pression d'injection, les portions de la membrane ainsi déchirée obturant les canaux précités et empêchant le reflux des fluides chassés par la pression d'injection dans cet espace, qui est ainsi complètement rempli dudit matériau d'étanchéité.
  • La présente invention a en outre pour objet un procédé d'isolation (ou séparation) entre au moins deux zones de production d'un puits, séparées par un intervalle axial, caractérisé en ce qu'on fabrique in situ entre le puits et une colonne de production de ce puits, un joint d'étanchéité au moins au niveau de chacune des extrémités de l'intervalle précité séparant les deux zones de production, à l'aide du procédé et du dispositif de mise en oeuvre conformes aux dispositions qui précèdent.
  • Outre les dispositions qui précédent, l'inven­tion comprend encore d'autres dispositions, qui ressorti­ront de la description qui va suivre.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se refère aux dessins annexés dans lesquels :
    - les figures 1 à 4 illustrent schématiquement les diffé­rentes étapes du procédé selon l'invention, visant à fabriquer in situ un joint d'étanchéité dans un espace annulaire qui sépare une portion de paroi interne d'un puits d'une portion correspondante de paroi externe d'une colonne de production de ce puits,
    - la figure 5 est une coupe transversale d'une des deux membranes de confinement de l'espace précité,dont se compose un dispositif de mise en oeuvre du procédé susdit, illustré aux figures 1 à 4,
    - la figure 6 est une illustration schématique d'un puits avec sa colonne de production dans laquelle sont repré­sentées deux zones de production qui sont isolées (ou séparées) entre elles par deux joints d'étanchéité fabriqués à l'aide du procédé selon l'invention.
  • Pour isoler (ou séparer) deux zones de produc­tion, telles que les zones Z₁ et Z₂ illustrées à la fi­gure 6, d'un puits P, il s'agit d'empêcher toute communi­cation entre elles par l'espace annulaire 5 séparant le puits P de sa colonne de production T sur toute la hau­teur H de l'intervalle existant entre les deux zones Z₁ et Z₂.
  • De cette manière, lorsque l'un des problèmes évoqués sous b) à d) se présente, isolément ou conjointe­ment avec les autres, il suffit de fermer, à l'aide d'un dispositif introduit dans la colonne de production et connu des techniciens en la matière, la ou les zones concernées, ce qui permet aux autres zones de continuer à débiter leurs effluents.
  • Dans l'Art antérieur, l'intervalle H précité séparant axialement deux zones était cimenté dans l'es­pace annulaire 5 existant entre la formation rocheuse du puits P et la colonne de production T,selon une technique également bien connue des techniciens en la matière. Par­fois,on utilise dans les deux portions d'extrémité de l'intervalle H deux dispositifs d'étanchéité auxiliaires, constitués par ce qu'on appelle packers de cimentation gonflables,qui facilitent la cimentation et qui ont été déjà décrits plus haut conjointement avec les limitations d'emploi et les inconvénients correspondants,évoqués sous i) à v).
  • La présente invention propose une solution qui, bien que ne visant pas à remplacer systématiquement la technique de la cimentation, a pour objectif de la ré­duire au maximum (par exemple, en la limitant - pour des raisons pratiques d'exploitation en surface - à la seule partie supérieure du puits, comme illustré schématique­ment par la référence C à la figure 6) avec des avantages sensibles (par rapport à la technique de cimentation assistée, éventuellement, par l'utilisation de packers de cimentation gonflables), dont certains ont été évoqués sous A) à E).
  • Conformément à l'invention, l'isolation entre deux zones Z₁ et Z₂ est obtenue en fabriquant in situ des joints d'étanchéité 18 au niveau des extrémités de l'inter­valle H séparant les deux zones, chaque joint étant obte­nu par une étape préalable de délimitation de l'espace annulaire destiné à être occupé par le joint, suivie par une étape d'injection dans l'espace annulaire ainsi déli­mité,d'un matériau capable non seulement de remplir complètement cet espace,mais aussi de s'adapter parfaite­ment aux irrégularités de la roche délimitant la paroi interne du puits.
  • A cet effet, on peut utiliser avantageusement des mastics à base d'élastomère (bien entendu,résistant aux effluents du puits) ayant une viscosité et une densité leur permettant de remplir parfaitement les irrégularités de la roche avant réticulation,le temps de réticulation pou­vant être compris entre environ 1 heure et environ 24 heures, en fonction de la température existant au niveau de l'in­jection du mastic ainsi que des besoins de l'exploitation.
  • Etant donné qu'entre la colonne de production et le puits existe normalement de la boue - dite boue de forage ou de complétion - l'injection de mastic doit éviter que celui-ci se mélange à la boue.
  • Conformément à l'invention, le procédé de fabri­cation in situ du joint d'étanchéité prévoit de séparer le mastic de la boue pendant l'injection, tout en éjectant la boue de l'espace qui doit être occupé par le mastic d'étanchéité.
  • Pour la mise en oeuvre du procédé, on utilise un dispositif 1 comprenant essentiellement deux moyens de confinement de l'espace annulaire à rendre étanche et des moyens de séparation du mastic à injecter,par rapport à la boue,et d'éjection de celle-ci en dehors de l'espace qui doit être rempli de mastic.
  • Les moyens de confinement sont constitués par deux membranes annulaires élastomères identiques,2,qui sont appliquées contre la surface externe de la colonne de production T.
  • Entre chaque membrane de confinement 2 et la colonne de production T existe une chambre 6 gonflable à l'aide d'un fluide sous pression, tel qu'eau ou huile, qui dilate la membrane radialement (cf. la figure 2) sous l'action de la pression de gonflage, jusqu'à la faire venir en contact avec la paroi du puits P, délimitant ainsi l'espace 5 à rendre étanche. Pour permettre le gonflage des membranes de confinement 2, les extrémités internes 3 (par rapport à l'espace 5) de chacune de ces membranes sont solidarisées de façon fixe à la colonne T par des moyens (non représentés,car connus des techniciens en la matière)qui permettent en même temps d'injecter le fluide de gonflage des membranes de confinement. Pour permettre la dilatation de celles-ci,leurs extrémités externes 4 sont solidarisées de façon à coulisser le long de la colonne de production T sous l'action de la pression de gonflage, à l'aide de moyens connus des techniciens en la matière (et non représentés) du type utilisé en rapport avec les packers de cimentation gonflables (La référence 7 est une représentation schéma­tique de ces moyens).
  • Une fois délimité l'espace 5 à rendre étanche, à l'aide des membranes de confinement gonflables 2, il s'agit d'injecter le mastic dans cet espace. Pour permet­tre de maintenir séparé le mastic par rapport à la boue existant dans l'espace 5, le dispositif de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention comporte une troisième membrane 8,dont les extrémités 9 et 10 sont reliées aux extrémités internes 3 des membranes de confinement 2 et solidarisées de façon fixe à la colonne T conjointement avec les extrémités 3.
  • La présence de la membrane 8 permet donc d'ef­fecteur l'injection du mastic 11 (bien entendu, à travers la paroi de la colonne de production T) dans la chambre 20 délimi­tée entre la membrane 8 et la colonne T, de manière que celui-­ci ne vienne pas en contact avec la boue existant dans l'espace 5.
  • Pour permettre l'éjection de cette boue en dehors de l'espace 5 précité, chacune des membranes de confinement 2 comporte des gorges axiales 12 (cf.aussi la figure 5) distribuées uniformément autour de la péri­phérie de chaque membrane. Ces gorges définissent des canaux 13 lorsque les membranes viennent en contact avec la paroi interne du puits P. La boue existant dans l'es­pace 5 est donc éjectée à l'extérieur de cet espace par les canaux de passage 13 sous l'action de la pression d'injection du mastic (la différence de pression entre la pres­sion du mastic et la pression de la boue de complétion existant dans l'espace à rendre étanche est, par exemple, de l'ordre d'environ 30 bars) sur la membrane de séparation 8, qui - comme on peut l'apprécier à la figure 3 - a aussi le rôle de guider la distribution du mastic 11 dans l'espace 5.
  • Pour permettre que cet espace soit effectivement rempli de mastic et que celui-ci vienne en contact avec la formation rocheuse du puits P, la membrane de sépara­tion 8 comporte une zone annulaire 15 de moindre résistance qui se déchire sous l'action de la pression d'injection,lorsque la membrane a été dilatée jusqu'à ce qu'on ait éjecté la plus grande partie de la boue par les canaux 13. Le déchirement de la membrane 8 divise celle-ci en deux portions 16 et 17 qui obturent les canaux 13 à la fin de l'injection du mastic et qui empêchent le reflux de la boue vers l'espace 5 : de cette manière, la réticu­lation du mastic a lieu dans les meilleures conditions permettant ainsi d'obtenir un joint 18 parfaitement étanche.
  • Les figures 1 à 4 représentent schématiquement les différentes étapes de fabrication du joint d'étan­chéité 18, a l'aide du dispositif 1 de mise en oeuvre de ce procédé.
  • En particulier, la figure 1 illustre la phase préalable à l'exécution du procédé de fabrication,qui comprend la descente dans le puits P de la colonne de production T équipée d'un dispositif 1 plaqué contre la surface externe de la colonne : on peut appré­cier qu'à cause de l'épaisseur relativement mince des membranes constituant le dispositif 1, il existe un espace relativement important entre celui-ci et le puits P, ce qui évite les problèmes de pistonnage et d'endomma­gement existant avec les packers de cimentation gonflables de l'Art antérieur. La réduction de l'épaisseur, notamment des membranes de confinement 2, est due au fait que ces der­nières, à l'état gonflé, ne constituent pas des joints d'étanchéité mais, comme il a été précisé plus haut, essentiellement des moyens provisoires de confinement de l'espace annulaire 5 à rendre étanche.
  • La figure 2 illustre la première étape du procé­dé de fabrication du joint 18, qui consiste dans la déli­mitation de l'espace 5 par gonflage des chambres 6 déli­mitées entre chaque membrane de confinement 2 et la colonne de production T.
  • La figure 3 illustre la deuxième phase du pro­cédé de fabrication du joint 18,consistant dans l'injec­tion du mastic 11 dans la chambre 20 délimitée entre la membrane de séparation 8 et la colonne de production T.
  • La figure 4 illustre la situation existant à la fin de la deuxième étape,quand les portions 16 et 17 de la membrane de séparation 8,déchirée au niveau de sa zone de moindre résistance 15,obturent les canaux de passage 13 empêchant ainsi le reflux de la boue par ces canaux et per­mettant le remplissage complet de l'espace 5 par le mastic 11 de façon à réaliser un joint d'étanchéité parfaite, 18.
  • Il va de soi que l'application du procédé de fabrication de ce joint à l'isolation entre au moins deux zones de production d'un puits,n'est pas limitée à la réalisation d'un joint d'étanchéité au niveau des extrémités de l'intervalle séparant ces zones : en fait, (comme le montre la partie inférieure de la figure 6), on peut réaliser un joint d'étanchéité 18 au niveau de chacun des espaces annulaires délimitant chaque zone de production et disposés à proximité de celles-ci.
  • Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in­vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écar­ter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. En particulier - bien qu'on ait précisé que l'injection de mastic peut se faire à travers un orifice ménagé dans la paroi de la colonne de production T (et, bien entendu, obture normalement par une vanne sensible à un certain seuil de pression) et ce en descendant à l'intérieur de la colonne un dispositif d'injection - il va de soi que d'autres systèmes sont utilisables à cet effet. Par exemple, on peut aménager une réserve de mastic et de réticulant dans une double paroi de la colonne et les injecter à l'aide de deux pistons annulaires coulissant dans la doule paroi de la colonne et disposés de part et d'autre par rapport à la membrane de séparation susdite.
  • De plus, bien que la description du procédé de fabrication des joints d'étanchéité 18,et donc d'isola­tion entre deux zones de production Z₁ et Z₂, à l'aide du dispositif conforme à l'invention, ait été limitée au cas de complétion simple, il va de soi que l'invention s'ap­plique également au cas de complétion multiple (imposée notamment par des raisons d'incompatibilité entre la nature, les pressions, etc..des effluents débités par les différentes zones), de complétion avec zones de production sableuses (dites "gravel packs" suivant la terminologie anglo-saxonne) ainsi que d'autres types de complétion.
  • En outre, en ce qui concerne, d'une part, les moyens destinés à solidariser d'une façon fixe les extré­mités internes des membranes de confinement et, d'autre part, les moyens destinés à solidariser de façon coulis­sante les extrémités externes de ces membranes à la colonne de production - bien qu'ils soient connus des techniciens en la matière,pour être déjà appliqués, comme évoqué plus haut, aux packers de cimentation gonflables - il y a lieu de préciser ce qui suit :
    - les premiers moyens comportent un raccord spécial (dési­gné par l'appellation anglo-saxonne "valve sleeve") qui est pourvu d'un système de sécurité à clapets (dit "pressurizing and overpressure protection system" en anglais) et qui coopère avec une pluralité de joints toriques, l'une et les autres disposés autour de la colonne de production au niveau des extrémités fixes de chaque membrane de confinement ;
    - les autres moyens comportent un écrou fixé à une boîte à garniture (dite "upper sleeve" selon la terminologie anglo-saxonne). La boîte à garniture coopère avec deux bagues d'appui et deux garnitures VHT (désignées par les appellations anglo-saxonnes "back-up rings" et "chevron packing"). Des joints toriques, portés par une bague porte-joint, assurent l'étanchéité pendant le coulisse­ment de l'écrou et de la boîte à garniture. Cet écrou peut être, le cas échéant, fixé, à l'autre extrémité, à une manchette de rupture ("shear sleeve"), dont la fonction est de maintenir la membrane contractée pendant la descente de la colonne de production.
  • Bien que la description se réfère au cas où la solidarisation des extrémités internes des membranes de confinement soit fixe, alors que la solidarisation de leurs extrémités externes autorise le coulissement axial de ces dernières, il est possible d'inverser ces deux conditions. De même, il est possible de rendre fixes ou coulissantes les deux extrémités, internes et externes, de chaque membrane de confinement.
  • Toujours dans le but de mieux apprécier le fait que l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits en rapport avec les dessins, il y a lieu aussi de souligner ce qui suit, notamment en ce qui concerne :
    - la membrane de séparation,qui peut ne pas comporter de zones de moindre résistance. En effect, la déchirure de la membrane de séparation pourrait être provoquée par la seule action de la pression d'injection, sans qu'il soit nécessaire de ménager aucune zone de moindre résis­tance dans la membrane. En outre,on peut utiliser essen­tiellement une membrane très déformable et non déchi­rable qui soit capable de s'adapter (par simple défor­mation, donc), sous l'action de la pression d'injection, aux irrégularités de la surface interne du puits, sans qu'il soit nécessaire de prévoir la déchirure de la membrane pour faire venir le mastic en contact avec la paroi du puits : dans ce cas, l'on pourrait même rem­placer le mastic par un simple produit de gonflage de la membrane de séparation ; toutefois, même si la membrane de séparation est conçue pour rester intègre, des déchirures accidentelles peuvent se manifester à cause de différences localisées dans l'épaisseur de l'espace à rendre étanche, généralement très irrégulier, en sorte qu'il est préférable d'utiliser un produit mastic réticulant pour assurer dans chaque cas l'étan­chéité parfaite de l'espace précité ;
    - ce mastic réticulant,qui doit être non seulement résis­tant aux effluents, très agressifs, du puits (tels qu'huiles aromatiques,etc...), mais aussi à l'eau qui peut présenter un pH très variable, compris par exemple entre 2 et 12, de même qu'aux hautes températures et aux hautes pressions existant dans les puits qui peuvent aller, respectivement, jusqu'à des valeurs de l'ordre de 150°C et de plusieurs centaines de bars (la pression d'injection du mastic doit donc vaincre l'action anta­goniste de la pression très élevée existant dans l'es­pace à rendre étanche et occupée par la boue de complé­tion). A cet effet, on peut avantageusement utiliser des mastics constitués par des élastomères liquides, tels que des silicones fluorés, des polysulfures, des poly­thioéthères ainsi que des résines époxydes ou phéno­liques, notamment gonflables ;
    - les élastomères dont se composent les membranes de sépar­ration et de confinement (très déformables,comme la membrane de séparation), qui doivent eux aussi résister aux mêmes conditions de température, pression et pH évoquées plus haut pour le mastic et qui peuvent être, par exemple, des élastomères fluorés (fluoro-carbone ou fluoro-sili­cone) ou acrylo-nitriles (ou autres nitriles saturés).

Claims (10)

1.- Procédé de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité (18) d'un espace annulaire (5) compris entre une portion de paroi interne d'un puits (P) et une portion correspondante de paroi externe d'une colonne de produc­tion (T), qui sont adjacentes à une zone de production (Z₁, Z₂) de ce puits, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- délimitation de l'espace annulaire (5) destiné à être occupé par le joint,
- injection dans l'espace annulaire (5), ainsi délimité, d'un matériau destiné à remplir complètement cet espace et à assurer l'étanchéité requise entre puits et colonne de production,en s'adaptant aux irrégularités de la paroi du puits (P).
2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à injecter dans l'espace annulaire est constitué par un mastic réticulant (11) résistant aux effluents ainsi qu'aux températures et pressions existant dans le puits (P).
3.- Procédé selon l'une quelconque des reven­dications 1 ou 2, caractérisé en ce que celui-ci comprend en outre une opération de séparation du matériau injecté (11), par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P), et une opéra­tion d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace pré­cité (5), pour que celui-ci soit rempli complètement par l'injection du matériau d'étanchéité (11).
4.- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caracté­risé en ce qu'il comprend :
- deux moyens de confinement (2-2) de l'espace annulaire (5) à rendre étanche,
- des moyens (8, 12-13) de séparation du matériau à injec­ter (11), par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P), et d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace précité (5), tout en permettant qu'il soit rempli complètement par le matériau d'étanchéité (11).
5.- Dispositif selon la revendication 4, carac­térisé en ce que les moyens de confinement dudit espace (5) sont constitués par une première et une deuxième membranes annulaires élastomères (2-2) très déformables, portées par la colonne de production (T) et appliquées contre cette der­nière ,aux extrémités d'une portion de paroi externe de cette colonne correspondant à une portion de paroi interne du puits (P), - chacune de ces portions définissant l'encom­brement axial de l'espace précité (5)-, entre chaque mem­brane de confinement (2-2) et la colonne de production (P) existant une chambre (6) gonflable à l'aide d'un fluide sous pression, tel qu'eau ou huile, qui dilate la membrane (2-2) radialement jusqu'à venir en contact avec la paroi opposée du puits (P), sous l'action de la pres­sion de gonflage.
6.- Dispositif selon la revendication 5, carac­térisé en ce que les deux membranes de confinement (2-2) comportent des extrémités internes (3-3) et externes (4-4) qui coopèrent avec des moyens permettant leur soli­darisation à la colonne de production (T).
7.- Dispositif selon la revendication 6, carac­térisé en ce que lesdits moyens de solidarisation assurent la fixation des extrémités internes (3-3) et externes (4-4) ou le coulissement de celles-ci le long de la colonne de production (T), sous l'action de la pression de gonflage de la membrane de confinement, ou encore la fixa­tion des unes et le coulissement des autres.
8.- Dispositif selon l'une quelconque des reven­dications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens de séparation du matériau à injecter (11), par rapport aux fluides normalement existant entre le puits (P) et la colonne de production (T),et d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace précité (5) comprennent :
- une (troisième) membrane annulaire élastomère de sépa­ration (8),très déformable, qui est interposée entre les deux membranes de confinement (2-2) et est appliquée contre la colonne de production (T) sur la portion de paroi externe de celle-ci qui définit sensiblement l'encombrement axial de l'espace précité (5), entre la membrane de sépara­tion (8) et la colonne de production (T) existant une chambre (20) d'injection du matériau (11),injecté sous pression,qui se remplit de ce matériau, dont la membrane (8) guide la répartition dans l'espace précité (5) sous l'action de la pression d'injection, celle-ci dilatant radiale­ment la membrane de séparation (8) et poussant ainsi les fluides présents dans l'espace précité (5) vers les membranes de confinement (2-2), préalablement également dilatées radialement par ladite pression de gonflage;
- une pluralité de gorges axiales (12), distribuées uniformément sur la surface externe de chaque membrane de confinement (2-2), lesquelles gorges (12) définissent les canaux (13) de passage des fluides précités, lorsque les membranes de confinement (2-2),dilatées radialement sous l'action de la pression de gonflage, viennent en contact avec la paroi du puits (P).
9.- Dispositif selon la revendication 8, carac­térisé en ce que ladite membrane de séparation (8) pré­sente une zone annulaire de moindre résistance (15) qui est destinée à se déchirer sous l'action de la pression d'injection, les portions (16, 17) de la membrane ainsi déchirée obturant les canaux précités (13) et empêchant le reflux des fluides chassés par la pression d'injection dans cet espace, qui est ainsi complètement rempli du matériau d'étanchéité (11).
10.- Procédé d'isolation (ou séparation) entre au moins deux zones de production (Z₁, Z₂) d'un puits (P), séparées par un intervalle axial (H), caractérisé en ce qu'on fabrique in situ, entre le puits (P) et une colonne de production (T) de ce puits, un joint d'étanchéité (18) au moins au niveau de chacune des extrémités de l'inter­valle précité (H) séparant les deux zones de production (Z₁, Z₂), à l'aide du procédé et du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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