EP0325541B1 - 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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EP0325541B1
EP0325541B1 EP89400163A EP89400163A EP0325541B1 EP 0325541 B1 EP0325541 B1 EP 0325541B1 EP 89400163 A EP89400163 A EP 89400163A EP 89400163 A EP89400163 A EP 89400163A EP 0325541 B1 EP0325541 B1 EP 0325541B1
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EP
European Patent Office
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well
membrane
tubing string
confinement
axial
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP89400163A
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German (de)
English (en)
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EP0325541A1 (fr
Inventor
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
Application filed by Hutchinson SA, MERIP OIL TOOLS INTERNATIONAL SA filed Critical Hutchinson SA
Publication of EP0325541A1 publication Critical patent/EP0325541A1/fr
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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.
  • US-A-4,440,226 discloses a method of completing a well using cement and comprising the steps defined in the preamble of claim 1.
  • the material to be injected consists of a crosslinking mastic, which is resistant to effluents and to the temperatures and pressures existing in the well, in particular constituted by a liquid elastomer, such as a fluorinated silicone, a polysulphide or a polythioether, or by an inflatable material, such as an epoxy or phenolic resin, also resistant to the ambient conditions existing in the well.
  • a crosslinking mastic which is resistant to effluents and to the temperatures and pressures existing in the well, in particular constituted by a liquid elastomer, such as a fluorinated silicone, a polysulphide or a polythioether, or by an inflatable material, such as an epoxy or phenolic resin, also resistant to the ambient conditions existing in the well.
  • said axial confinement, separation and ejection membrane has 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 off the above-mentioned channels and preventing the reflux of the fluids expelled by the injection pressure into this space, which is thus completely filled with the sealing material.
  • said axial confinement, separation and ejection membrane is very deformable and non-tearable so as to adapt by simple deformation, under the action of pressure injection, irregularities in the internal surface of the well.
  • said chamber defined by the axial confinement, separation and ejection membrane together with said portion of the external wall of the column, contains a liquid elastomer, such as a fluorinated silicone, a polysulfide or a polythioether, which adapts to irregularities in the wall of the well and which is resistant to effluents as well as to the temperatures and high pressures existing in the well.
  • a liquid elastomer such as a fluorinated silicone, a polysulfide or a polythioether
  • said chamber defined by the axial confinement, separation and ejection membrane together with said portion of the outer wall of the column, contains an inflatable material, such as an epoxy resin or phenolic, also resistant to the ambient conditions existing in the well.
  • an inflatable material such as an epoxy resin or phenolic
  • the two radial confinement membranes have internal and external ends which cooperate with means allowing their joining to the production column, said joining means ensuring the fixing of the internal and external ends or the sliding of these. ci along the production column, under the action of the inflation pressure of each radial confinement membrane, or the fixing of one and the sliding of the other.
  • 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.
  • 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 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 obtaining 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 ramming 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 framework, 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 closed by 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.

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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)de 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.
  • Le Brevet US-A-4 440 226 fait connaître une méthode de complétion d'un puits utilisant du ciment et comprenant les étapes définies dans le préambule de la revendication 1.
  • De façon alternative, ces étapes sont divulguées également par le Brevet US-A-3 578 083, qui utilise comme matériau d'étanchéité une substance durcissable.
  • 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 colonne de production disposée à l'intérieur du puits, ces deux portions opposées étant adjacentes à une zone de production de ce puits, lequel procédé comprend les étapes suivantes :
    • délimitation axiale de l'espace annulaire destiné à être occupé par le joint, à l'aide d'une membrane déformable annulaire et élastomère, qui est appliquée contre la colonne de production sur ladite portion de paroi externe de celle-ci et qui définit conjointement avec la portion de paroi externe de la colonne une chambre gonflable,
    • injection dans ladite chambre gonflable d'un matériau sous pression destiné à dilater radialement cette chambre et à remplir ainsi ledit espace annulaire,
    • séparation du matériau injecté par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production et le puits, à l'aide de ladite membrane de délimitation axiale faisant aussi membrane de séparation, et
    • éjection de ces fluides en dehors de l'espace annulaire précité, à l'aide de ladite membrane de délimitation axiale faisant également membrane d'éjection, pour qu'il soit complètement rempli par l'injection du matériau d'étanchéité, sous l'action de la pression d'injection et donc du gonflage de ladite chambre,
      ledit procédé étant caractérisé en ce que :
    • le procédé comprend également une étape de délimitation radiale dudit espace annulaire, dont l'encombrement axial est défini par lesdites portions opposées de paroi du puits et de la colonne, à l'aide de deux membranes déformables annulaires et élastomères de confinement (ou délimitation) radial(e), qui sont portées par la colonne de production et qui sont appliquées contre cette dernière aux extrémités de sa portion de paroi externe, 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, et
    • l'éjection des fluides existant dans ledit espace annulaire entre la colonne de production et le puits a lieu à travers une pluralité de canaux ou passages axiaux définis par une pluralité de gorges axiales ménagées uniformément sur la surface externe de chacune des membranes de confinement radial, lorsque celles-ci viennent en contact avec la paroi du puits sous l'action de leur pression de gonflage.
  • Conformément à l'invention, le matériau à injecter est constitué par un mastic réticulant, qui est résistant aux effluents ainsi qu'aux températures et pressions existant dans le puits, notamment constitué par un élastomère liquide, tel qu'un silicone fluoré, un polysulfure ou un polythioéthère, ou par un matériau gonflable, tel qu'une résine époxyde ou phénolique, également résistant aux conditions ambiantes existant dans le puits.
  • La présente invention a également pour objet un dispositif de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité de l'espace annulaire compris entre une portion de paroi interne d'un puits et une portion opposée correspondante de paroi externe d'une colonne de production disposée à l'intérieur du puits, ces deux portions opposées étant adjacentes à une zone de production, lequel dispositif comprend des moyens de confinement axial de l'espace annulaire à rendre étanche comportant une membrane déformable annulaire et élastomère, qui est appliquée contre la colonne de production sur ladite portion de paroi externe de celle-ci et qui définit conjointement avec cette portion de paroi externe une chambre gonflable, ces moyens de confinement axial constituant aussi, d'une part, des moyens de séparation du matériau à injecter dans ladite chambre gonflable par rapport au fluide normalement existant entre la colonne de production et le puits et, d'autre part, des moyens d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace annulaire précité, tout en faisant moyen de guidage de la répartition du matériau d'étanchéité dans l'espace annulaire précité sous l'action de la pression d'injection, lequel dispositif est caractérisé en ce que :
    • il comprend également des moyens de confinement radial dudit espace annulaire, dont l'encombrement axial est défini par lesdites portions opposées de paroi du puits et de la colonne, comportant deux membranes déformables annulaires et élastomères qui sont portées par la colonne de production et qui sont appliquées contre cette dernière aux extrémités de ladite portion de paroi externe de la colonne, 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, et
    • une pluralité de gorges axiales, distribuées uniformément sur la surface externe de chacune des membranes de confinement radial, définissent des canaux ou passages axiaux des fluides normalement existant entre la colonne de production et le puits, lorsque les membranes de confinement radial viennent en contact avec la paroi du puits sous l'action de la pression de gonflage.
  • Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif conforme à l'invention, ladite membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection présente 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 du matériau d'étanchéité.
  • Selon un autre mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention, ladite membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection est très déformable et non déchirable de façon à s'adapter par simple déformation, sous l'action de la pression d'injection, aux irrégularités de la surface interne du puits.
  • Selon une disposition avantageuse de ce mode de réalisation, ladite chambre, définie par la membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection conjointement avec ladite portion de paroi externe de la colonne, contient un élastomère liquide, tel qu'un silicone fluoré, un polysulfure ou un polythioéthère, qui s'adapte aux irrégularités de la paroi du puits et qui est résistant aux effluents ainsi qu'aux températures et hautes pressions existant dans le puits.
  • Selon une autre disposition avantageuse de ce mode de réalisation, ladite chambre, définie par la membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection conjointement avec ladite portion de paroi externe de la colonne, contient un matériau gonflable, tel qu'une résine époxyde ou phénolique, également résistant aux conditions ambiantes existant dans le puits.
  • Conformément à l'invention, les deux membranes de confinement radial comportent des extrémités internes et externes qui coopèrent avec des moyens permettant leur solidarisation à la colonne de production, lesdits moyens de solidarisation assurant la fixation des extrémités internes et externes ou le coulissement de celles-ci le long de la colonne de production, sous l'action de la pression de gonflage de chaque membrane de confinement radial, ou encore la fixation des unes et le coulissement des autres.
  • 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 précèdent, 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 réfère 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, obturé 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 séparation 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 opposée correspondante de paroi externe d'une colonne de production (T) disposée à l'intérieur du puits (P), ces deux portions opposées étant adjacentes à une zone de production (Z₁,Z₂) de ce puits, lequel procédé comprend les étapes suivantes :
    - délimitation axiale de l'espace annulaire (5) destiné à être occupé par le joint (18), à l'aide d'une membrane déformable annulaire et élastomère (8), qui est appliquée contre la colonne de production (T) sur ladite portion de paroi externe de celle-ci et qui définit conjointement avec la portion de paroi externe de la colonne (T) une chambre gonflable (20),
    - injection dans ladite chambre gonflable (20) d'un matériau sous pression (11) destiné à dilater radialement cette chambre et à remplir ainsi ledit espace annulaire (5),
    - séparation du matériau injecté par rapport aux fluides normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P), à l'aide de ladite membrane de délimitation axiale (8) faisant aussi membrane de séparation, et
    - éjection de ces fluides en dehors de l'espace annulaire précité (5), à l'aide de ladite membrane de délimitation axiale (8) faisant également membrane d'éjection, pour qu'il soit complètement rempli par l'injection du matériau d'étanchéité (11), sous l'action de la pression d'injection et donc du gonflage de ladite chambre (20),
    ledit procédé étant caractérisé en ce que :
    - le procédé comprend également une étape de délimitation radiale dudit espace annulaire (5), dont l'encombrement axial est défini par lesdites portions opposées de paroi du puits (P) et de la colonne (T), à l'aide de deux membranes déformables annulaires et élastomères (2-2) de confinement (ou délimitation) radial(e), qui sont portées par la colonne de production (T) et qui sont appliquées contre cette dernière aux extrémités de sa portion de paroi externe, entre chaque membrane de confinement (2-2) et la colonne de production (T) 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, et
    - l'éjection des fluides existant dans ledit espace annulaire (5) entre la colonne de production (T) et le puits (P) a lieu à travers une pluralité de canaux ou passages axiaux (13) définis par une pluralité de gorges axiales (12) ménagées uniformément sur la surface externe de chacune des membranes de confinement radial (2-2), lorsque celles-ci viennent en contact avec la paroi du puits (P) sous l'action de leur pression de gonflage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à injecter est constitué par un mastic réticulant (11), qui est résistant aux effluents ainsi qu'aux températures et pressions existant dans le puits (P), notamment constitué par un élastomère liquide tel qu'un silicone fluoré, un polysulfure ou un polythioéthère, ou par un matériau gonflable, tel qu'une résine époxyde ou phénolique, également résistant aux conditions ambiantes existant dans le puits.
  3. Dispositif de fabrication in situ d'un joint d'étanchéité (18) de l'espace annulaire (5) compris entre une portion de paroi interne d'un puits (P) et une portion opposée correspondante de paroi externe d'une colonne de production (T) disposée à l'intérieur du puits (P), ces deux portions opposées étant adjacentes à une zone de production (Z₁,Z₂), lequel dispositif comprend des moyens de confinement axial (8) de l'espace annulaire (5) à rendre étanche comportant une membrane déformable annulaire et élastomère (8), qui est appliquée contre la colonne de production (T) sur ladite portion de paroi externe de celle-ci et qui définit conjointement avec cette portion de paroi externe une chambre gonflable (20), ces moyens de confinement axial (8) constituant aussi, d'une part, des moyens de séparation du matériau (11) à injecter dans ladite chambre gonflable (20) par rapport au fluide normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P) et, d'autre part, des moyens d'éjection de ces fluides en dehors de l'espace annulaire précité (5), tout en faisant moyen de guidage de la répartition du matériau d'étanchéité (11) dans l'espace annulaire précité (5) sous l'action de la pression d'injection, lequel dispositif est caractérisé en ce que :
    - il comprend également des moyens de confinement radial dudit espace annulaire (5), dont l'encombrement axial est défini par lesdites portions opposées de paroi du puits (P) et de la colonne (T), comportant deux membranes déformables annulaires et élastomères (2-2) qui sont portées par la colonne de production (T) et qui sont appliquées contre cette dernière aux extrémités de ladite portion de paroi externe de la colonne (T), entre chaque membrane de confinement (2-2) et la colonne de production (T) 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, et
    - une pluralité de gorges axiales (12), distribuées uniformément sur la surface externe de chacune des membranes de confinement radial (2-2), définissent des canaux ou passages axiaux (13) des fluides normalement existant entre la colonne de production (T) et le puits (P), lorsque les membranes de confinement radial (2-2) viennent en contact avec la paroi du puits (P) sous l'action de la pression de gonflage.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection (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 (8) 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).
  5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection (8) est très déformable et non déchirable de façon à s'adapter par simple déformation, sous l'action de la pression d'injection, aux irrégularités de la surface interne du puits (P).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite chambre (20), définie par la membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection (8) conjointement avec ladite portion de paroi externe de la colonne (T), contient un élastomère liquide, tel qu'un silicone fluoré, un polysulfure ou un polythioéthère, qui s'adapte aux irrégularités de la paroi du puits (P) et qui est résistant aux effluents ainsi qu'aux températures et hautes pressions existant dans le puits.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite chambre (20), définie par la membrane de confinement axial, de séparation et d'éjection (8) conjointement avec ladite portion de paroi externe de la colonne (T), contient un matériau gonflable, tel qu'une résine époxyde ou phénolique, également résistant aux conditions ambiantes existant dans le puits.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux membranes de confinement radial (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).
  9. Dispositif selon la revendication 8, 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 chaque membrane de confinement radial (2-2), ou encore la fixation des unes et le coulissement des autres.
  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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