FR2525495A1

FR2525495A1 - Concentrateur de boue et methode d'utilisation

Info

Publication number: FR2525495A1
Application number: FR8206902A
Authority: FR
Inventors: Warren Maurice Zingg; Larry Dale Welch
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1980-09-08
Filing date: 1982-04-22
Publication date: 1983-10-28
Also published as: DE3216105A1; DE3216105C2

Abstract

CE CONCENTRATEUR DE BOUE POUR FORAGE PETROLIER COMPORTE UN CARTER 1 PRESENTANT UNE PREMIERE ET UNE SECONDE EXTREMITE, ET DEFINISSANT UN ALESAGE DE SECTION TRANSVERSALE CIRCULAIRE ET PRESENTANT UN AXE DIRECTEUR S'ETENDANT DE LA PREMIERE A LA SECONDE EXTREMITE, LA ZONE DE CARTER ADJACENTE A LA PREMIERE EXTREMITE DEFINISSANT UN PASSAGE D'ENTREE 17 QUI EST DISPOSE TANGENTIELLEMENT PAR RAPPORT AUDIT ALESAGE; UN CONDUIT CYLINDRIQUE CREUX 12 DE DIAMETRE APPROXIMATIVEMENT EGAL A CELUI DE L'ALESAGE, QUI EST POSITIONNE DE FACON NON ROTATIVE A L'INTERIEUR DE CELUI-CI ET ADJACENT A LA PREMIERE EXTREMITE DU CARTER, CE CONDUIT PRESENTANT UN ORIFICE D'ENTREE EN ALIGNEMENT AVEC LEDIT PASSAGE D'ENTREE; UN ELEMENT TRONCONIQUE CREUX 11 AVEC UNE EXTREMITE DE PETIT DIAMETRE ET UNE EXTREMITE DE GRAND DIAMETRE DISPOSEES A L'INTERIEUR DE L'ALESAGE.

Description

CONCENTRATEUR DE BOUE ET tETHODE D'UTILISATION.

La présente invention concerne un nouveau concentrateur de boue, un dispositif réducteur de pression et une méthode d'utilisation. Ce concentrateur est particulièrement utilisable pour concentrer une boue aqueuse renfermant un agent de soutènement pour la fracture hydraulique d'une formation terrestre souterraine.

Diverses méthodes ont été décrites dans l'art antérieur pour perfectionner la production de fluide hydrocarboné (par exemple de l'huile brute et du gaz naturel) à partir de puits forés dans des réservoirs de faible perméabilité. L'acidification matricielle et la fracture hydraulique de ces formations ou gisements sont les techniques les plus connues et les plus largerent utilisées.

Dans la fracture hydraulique, un fluide fracturant est pompé à travers une enveloppe perforée à l'intérieur d'une zone de prospection contenant des hydrocarbones sous une pression suffisamment élevée pour provoquer un clivage ou une fracture de la formation. Le fluide de fracture renferme normalement un agent de soutènement qui est disposé dans la fracture et évite la refermeture de la formation lorsque la pression de pompage est supprimée. L'agent de soutènement (par exemple du sable, de la bauxite frittée des perles de verre, etc...) fournit un canal perméable dans la formation à travers lequel les fluides s'écoulent vers le forage du puits et sont prélevés.

Dans les processus habituels de fracture hydraulique, de nombreux liquides, tels que l'huile brute, le fuel léger, le kérosène, l'eau, l'eau gélifiée, les acides (HC1 aqueux), les acides gélifiés, etc... (avec ou sans agents de soutènement) ont été utilisés comme fluide de fracture. De l'eau gélifiée au moyen d'un polysaccharide ou d'un dérivé de polysaccharide (par exemple le guar, le guar hydroxypropylé etc...) s'est avérée être particulièrement efficace comme fluide de fracture et a été largement utilisée Toutefois, ces gels aqueux et d'autres fluides de fracture liquides ont posé un certain nombre de problèmes relativement à leur utilisation. Par exemple, lorsque la pression de rupture de la formation est atteinte et que la fracture se produit, il en résulte une importante chute de pression.Les pompes doivent tre alors susceptibles de fournir rapidement d'importants volumes de liquide de fracture additionnels dans la zone de fracture afin de maintenir et d'étendre les fractures formées. Pour fournir une telle pression de pompage additionnel, il est nécessaire de maintenir en réserve plusieurs unités de pompage importantes qui ne seralent pas requises par ailleurs. En outre, les fluides de fracture liquides nécessitent souvent un traitement additionnel ou des additifs chimiques pour ac crotte leur viscosité, leur résistance à la gélification, et/ou pour augmenter leurs caractéristiques de perte de fluide pendant l'usage. D'autres traitements des liquides ont été mis au point pour améliorer les capacités des fluides à transporter l'agent de soutènement.

De très nombreux problèmes relatifs aux fluides de fracture ont été abordés et résolus par une fracture hydraulique avec de la mousse. La fracture à la mousse est relativement récente et l'6tat de la technique est représenté par le brevet US 3 937 283 (Blauer et al.). D'autres articles intéressants au sujet de la fracture à la mousse se trouvent dans le numéro du 22 Juillet 1974 de "Oilweek" par Bullen et dans une publication présentee par Blauer et al., et intitulée "Fracture de formation au moyen de mousse" SPE 5003. On fait également référence au brevet US 3 980 136 (Plummer et al.).

Blauer et al. dans le brevet US 3 937 283, font état des nombreux avantages de la fracture par mousse et décrivent des méthodes de fabrication et d'utilisation de ces mousses. Un des avantages de la fracture par mousse réside dans une perte inférieure de fluide dans le gisement. Une perte Inférieure de fluide signifie que le processus de fracture est plus efficace et que le dommage dans le gisement est minimisé. Comme avantage supplémentaire, les mousses présentent, de façon typique, une capacité de transport relativement élevée de l'agent de soutènement, ce qui permet d'apporter plus d'agent de soutènement dans le site de la fracture et ceci aide à éliminer les "bourrages" pendant les fermetures non prévues pendant le traite ment de fracture.L'expression "bourrage" est un terre utilisé dans le domaine pétrolier pour définir le phenoT.wne qui se produit lorsque l'agent de soutènement précipite du fluide de fracture et bouche le puits de forage. Les mousses sont également plus faciles à pomper et necessi- tent moins de puissance hydraulique initiale et peu d'unités de pompage de réserve sur le site de forage.

L'efficacité de la fracture par mousse peut être en outre améliorée en concentrant la boue de l'agent de soutènement avant la formation de la mousse, La boue de soutènement comprend un liquide-moussable et un agent de soutènement solide particulaire.Présentement, les boues de soutènement classiques renferment des concentrations de 0,70 à 1 kg d'agent de soutènement (par exemple du sable) par litre de fluide porteur ; après le rroussage, la teneur en solide de la boue est réduite à 0,120 à 0,240 kg d'agent de soutènement par litre de liquide.Puisqu'il est pcur le moins théoriquement possible pour la mousse de supporter pratiquement plus d'agent de soutènement spécifié ci-dessus > il est nécessaire de trouver un moyen pour accrottre la densité de la boue avant le moussage.

Dans les brevets US 4 176 064 et 4 126 180, Black décrit un dispositif pour obtenir ce résultat, Le concentrateur de boue décrit par Black est un séparateur mécanique présentant une hélice rotative qui imprime à une boue d'alimentation une forme centrifuge qui dirige les matériaux les plus lourds vers les parois extérieures et laisse le fluide porteur plus léger se séparer de la boue et s'écouler à travers un tamis à fente hors du concentrateur dans un réservoir. Une forme de réalisation commerciale de ce concentrateur n'a bénéficié que d'un succès marginal dû aux problêmes mécaniques relatifs aux éléments rotatifs, aux joints d'étanchéité etc... Dans la pratique actuelle, de tels problèmes se sont traduits dans les unités de pompage par une diminution de la pression de foactionnenent jusqu'à un maximum d'environ 35 000 kPa et un rendement volumique modéré. D'autres informations sur ce système peuvent être trouvées dans la communication rédigée par Anderson et al.

(Communication n 793 039) et présentée à la trentième réunion annuelle tachnique de la Pétroleum Society de CI@ les 6-11 Mai 1979 à Banff.

La littérature publiée à la vente par un certain nombre de compagnies de services de prospection pétrolière indique que d'autre concentrateurs de boue ont été réa- lisés pour l'utilisation darus la fracture per mousse.

Or, on a maintenant découvert un nouveau concentrateur de boue qui est particulièrement utile pour les concentraticns de boues d'agent de soutènement destinées à etre utilisées par la Suite dans la fracture hydrauli- que par mousse des gisements souterrains.Ce nouveau concentrateur de boue peut être utilisé à des pressions éle vées, par exemple supérieure à 700 kg/cm2, si on le désire, et à un rendement volumique suffisant pour fracturer la plupart des gisements,
Plus précisément, le concentrateur de boue de l'invention comporte
- un carter présentant une première et: une seconde extrémités, ce carter définissant un alésage de section transversale généralement circulaire et présentant un axe directeur s'étendant de la première à la seconde extrémité tés, la zone de carter adjacente à la première extrémité définissant un passage d'entrée qui est généralement disposé de façon tangentielle par rapport à cet alésage ; un conduit cylindrique creux présentant un diamètre approximativement égal au diamètre de l'alésage, qui est disposé de façon non rotative à l'intérieur de l'alésage et adjacent à la première extrémité du carter, ce conduit présentant une ouverture d'entrée en alignement avec ledit passage d'entrée ; un élément creux tronconique présentant une extrémité de petit diametre et une extrémité de grand diamètre disposées à l'intérieur de l'alésage, l'extrémité de grand diamètre étant disposée généralement adjacente à la première extrémité du carter et présentant un diamètre approximativement égal au diamètre de l'alésage, l'extrémité de petit diamètre étant disposée généralement éloignée de la première extrémité du carter ; un premier élé ment obturateur d'extrémité fixé au carter et supportant à l'intérieur de ce dernier un premier conduit d'évacuation qui est généralement coaxial a l'alésage et qui se prolonge dans l'alésage et dans le conduit au-delà du passage d'entrée, mais qui ne s 'étend pas dans l'élément tronconique ; un second élément obturateur d'extrémité fixé au carter et supportant à l'intérieur de ce dernier un second conduit d'évacuation qui est généralement coaxial à l'alésage et qui est en communication de fluide avec l'extrémité de petit diamètre de l'élément tronconique, la face externe de l'élément tronconique et la face adjacente du carter définissant un espace généralement annulaire ; et un dispositif de communication de fluide, entre l'espace annulaire et l'espace interne, vers l'élément tronconique.

La présente invention vise également un nouveau dispositif d'étranglement de l'écoulement désigné par l'expression "duse d'étranglement" et qui est, de façon inhabituelle, efficace pour réduire la pression des fluides qui s'y écoulent. La duse d'étranglement peut entre également utilisée pour des fluides entratnant avec eux des solides particulaires.

Outre qu'il possède un dispositif hautement productif pour l'utilisation dans le domaine de la recherche pé trolière, le concentrateur de boue de l'invention peut également entre utilisé dans des domaines autres que la fracture, où il est nécessaire ou désirable de concentrer des boues liquides/solides, ou même de séparer des liquides de densités différentes ou des gaz à partir de liquides, etc... sous des conditions de pression élevée.

On a représenté sur les figures 1 et 2 du dessin des modes de réalisation actuellement préférés du concentrateur de boue selon l'invention.

Sur ce dessin
- la figure 1 est une vue latérale en coupe transversale schématique du concentrateur de boue de l'invention;
- la figure 2 est une vue d'extrémité en coupe transversale schématique selon la ligne 2-2 de la figure 1
- la figure 3 est une représentation schématique d'un système utilisé pour fabriquer et injecter de la boue dans un puits
- les figures 4 et 5 rep-resentent des détails d'un dispositif de communication de fluide préféré
- les figures 6 et 7 sont des représentations schématiques du concentrateur de boue avec le dispositif d'étranglement y attaché
- la figure 8 représente une vue latérale en coupe transversale schématique du dispositif dldtranglement de fluide
- la figure 9 représente une vue latérale en coupe transversale schématique d'un organe d'étranglement renfermant un adaptateur d'étranglement qui à son tour contient le dispositif d'étranglenent d'écoulement.

La figure 1 représente l'enveloppe externe ou carter 1 du concentrateur présentant un alésage cylindrique creux de section transversale généralement circulaire et ayant un axe directeur s'étendant d'une extrémité à l'autre. Les parois du carter sont aptes à résister à une pression élevée et sont habituellement en métal (par exemple en acier) mais peuvent être en d'autres matériaux de construction. Sur la figure 1, est également représenté un conduit cylindrique creux 12 positionné à l'intérieur de l'alésage du carter. Le conduit cylindrique présente une ouverture d'entrée en alignement avec un passage d'entrée ou orifice d'admission de la boue 17 qui est orienté géné- ralement de façon tangentielle au conduit cylindrique creux 12. L'orifice d'entrée de boue 17 est représenté plus en détail sur la figure 2.

La figure 1 représente également un élément tronconique creux 11 présentant une extrémité de petit diamètre et une extrémité de grand diamètre disposée à l'intérieur de l'alésage. L'extrémité de grand diamètre du canne est disposée généralement adjacente à une première extrémité du carter et présentant un diamètre approximativement égal au diamètre de l'alésage. L'extrémité de petit diamètre du cane est disposée généralement éloignée de la première extrémité du carter.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'élément tronconique 11 et le conduit cylindrique creux 12 sont des éléments séparés qui sont purement en aboutement l'un contre l'autre à l'intérieur de l'alésage du carter. Les deux éléments peuvent être fixes l'un à l'autre mais il est sensiblement plus avvantageux en pratique d'avoir de onze à douze éléments se présentant sous forme d'éléments séparés.

Un premier organe obturateur d'extrémicé 14 est fixé au carter pour y supporter un premier agencement de conduit 13 et 13A, qui est généralerrent coaxial à Italésa- ge et qui s'étend à l'intérieur de l'alésage et dans le conduit 12 au-delà du passage d'entrée 17, mais ne se prolonge pas à l'intérieur de l'éléinent tronconique 11. L'agent cement de conduits 13 et 13A forme ensemble un conduit d'évacuation. Cependant, l'avancement de conduit 13 est généralement référencé comme étant un "détecteur de vortex".

Un second organe d'obturation d'extrémité 7 est fixé au carter pour y supporter un second conduit d'dvacua- tion 13B qui est généralement coaxial avec l'alésage et qui est en communication de fluide avec l'extrémité de petit diamètre de l'élément tronconique 11. Sur la figure 1, l'organe d'obturation d'extrémité 7 renferme également un dispositif support 10 pour l'extrémité de petit diame- tre de l'élément tronconique.

Le dispositif de communication de fluide 34 est ménagé entre l'espace généralement annulaire 35 défini par la face externe de l'élément tronconique ll et la face adjacente de carter 1, et l'espace interne vers l'élément tronconique 11. Le dispositif de communication de fluide de cette figure comporte, dans l'extrémité de grand diame- tre de l'élément tronconique, un certain nombre de gouttières longitudinales, qui ménagent une série d'ouvertures autour du périmètre de la jonction de l'élément tronconique avec le conduit cylindrique creux 12.

En condition de fonctionnement, le dispositif de communication de fluide permet d'utiliser le concentrateur de boue à des pressions élevées pour concentrer des boues susceptibles d'être pompées (c'est-à-dire, Ces mélanges de solides, de liquides et/ou de gaz de différentes densi tés) sans tenir conte des capacites t conduit cylindrique creux 12 et,'ou de l'élément tronconique Il à résiste.

à la pression. Le dispositif de communication de fluide produit une égalisation de pression entre 1'espate annulaire 35 et l'espace interne de l'élément tronconique 11.

Ceci est une caractéristique très importante ou concentrateur de boue du fait qu'elle peflet de construire l'elle ment tronconique (en particulIer) avec des matériaux classiques de construction ou des matériaux de construction qui sont spécifiquement destinés à- résister à un haut degré d'abrasion ou de corrosion, par exemple.

La sélection des matériaux de construction pour les composants du concantrateur de boue est du domaine de la technologie connue et peut ttre modifie9 selon les besoins du technicien. Les dimensions du concentrateur de boue et de ses constituants peuvent également être choisies par le technicien pour satisfaire à des besoins particuliers (par exemple l'épaisseur de paroi de l'enveloppe extérieure peut être choisie en fonction du domaine de pression désirée si le matériau de construction reste le même).

Le concentrateur de boue fonctionne en convertis- sant l'énergie de pression en énergie centrifuge en introduisant tangentiellement une boue susceptible d'être pompée dans le concentrateur de boue par l'orifice d'entrée 17. Les forces centrifuges font que les parties les plus lourdes de la boue alimentée se dirigent vers l'extérieur vers les parois internes du conduit cylindrique creux 12 et ensuite progressent doucement de la première extrémité du carter vers la seconde extrémité du carter dans l'élément tronconique 11 le long de sa surface interne conique selon une spirale d'accélération centrifuge vers l'extrémité de petit diamètre de l'élément tronconique (c'est-àdire son apex), et ensuite s'évacue vers le conduit d'évacuation 13B.La (ou les) portion(s) la (ou les) plus 1é- gère(s) de la boue se dirige(nt) vers l'intérieur sous forme de spirales vers le "détecteur de vortex" 13 et sont évacuées par le conduit d'évacuation 13 et 13A.

La caractéristique d'égalisation de pression du concentrateur de boue est obtenue par un dispositif de communication de fluide 34 permettant aux fluides (injectés initialement ou à partir de la boue d'alimentation) de s'écouler de l'intérieur dans l'espace annulaire 35 et de remplir ce dernier. Après que l'espace annulaire ait été rempli, la pression exercée sur le fluide dans l'espace annulaire sera la même que la pression exercée sur les fluides à l'intérieur de l'cément tronconique et du con- duit cylindrique creux. A cause de cela, le conduit cylindrique creux et l'élément tronconique sont soumis à une très faible pression différentielle, si cette dernière existe, entre leurs faces intérieures et extérieures.

Le concentrateur de boue peut être utilisé dans n'importe quel domaine où il est nécessaire d'isoler des composants de différentes densités. Il peut être utilisé, par exemple, pour séparer des liquides non miscibles de densités différentes (par exemple de l'huile et de l'eau), mais il est particulièrement utilisable pour concentrer des boues qui renferment un liquide support et des solides particulaires. C'est cette dernière application qui rend le concentrateur de boue d'utilisation particulièrement utilisable dans le domaine pétrolier pour concentrer les boues de soutènement. Pour cet usage dans le domaine pétrolier, le concentrateur de boue, qui est normalement positionné dans une position étendue horizontale, est un élément mécanique d'un système à multicomposants comportant des mélangeurs mécaniques, des dispositifs de pompage etc..., que l'on désignera simplement ci-après comme un "système".

Ce mode de réalisation est décrit ci-dessous dans un exemple.

Afin que le concentrateur de boue fonctionne le plus efficacement possible, on établit une pression différentielle entre les matériaux s'écoulant à travers le détecteur de vortex 13 et des conduits associés et 1 'extré- mité d'évacuation du séparateur cyclonique. Cette pression différentielle est établie de façon appropriée en mettant un dispositif réducteur de pression (par exemple un dispositif d'étrangleinent ou de restriction d'écoulement) en communication de fluide avec le détecteur de vortex et les conduits associés.Ce dispositif réducteur de pression permet uniquement d'évacuer une partie du fluide passant à travers le concentrateur de boue et la pression différentielle ainsi établie oblige le reste de la boue à s'é couler par l'extrémité d'évaucation Dans la technique antérieure, on connatt un certain nombre de dispositifs réducteurs de pression que l'on peut se procurer dans le commerce. Toutefois, un dispositif d'étranglement préféré est décrit dans la demande de brevet US SN 185 087 au nom de Warren M. Zingg et al. déposée le même jour que la demande américaine dont la priorité a été revendiquée pour le dépôt de la présente demande.Ce dispositif d'étranglement unique divise la partie la plus légère du fluide support évacuée de la boue traitée en deux courants. Chacun des courants est ensuite dirigé à travers un adaptateur d'étranglement équipé d'une duse ou d'une buse d'étranglement d'écoulement, et évacué par la suite à partir de cette duse d'étranglement d'une manière telle que la force de l'un des courants se mesure avec celle de l'autre et que l'énergie cinétique résultante des courants est nulle ou tend pratiquement vers zéro. Dans un mode de réalisation du dispositif d'étranglement, les courants d'évacuation provenant des duses d'étranglement sont diamétralement opposés et les courants d'évacuation s'écoulent l'un dans l'autre à contre-courant.Bien que les courants d'évacuation ont en général le même débit, l'énergie de chacun d'entre eux est dissipée et laisse la combinaison des courants évacués à la pression atmosphérique. Les figures 6 et 7, dont il sera question ci-dessous, illustrent en outre le dispositif d'étranglement de zingg et al.

La figure 2 représente un autre mode de réalisation unique et préféré de l'invention, dans lequel l'alésage à l'intérieur de l'enveloppe externe est excentré. Ceci permet le couplage de l'orifice d'entrée de boue 17 avec un adaptateur approprié pour le tubage de pression à réaliser à l'intérieur des parois de l'enveloppe extérieure. La pression sur la jonction est ensuite confinée à l'intérieur de la paroi externe et il en résulte un couplage plus sflr et plus solide. Dans un appareil fonctionnant sous les pressions extrêmes auxquelles ce concentrateur de boue est normalement exposé, cette caractéristique de sécurité est non seulement unique et facile à mettre en oeuvre, mais est encore d'importance pour la sécurité du personnel de fonctionnement.De façon similaire, on olJservera sur la figure 1, que la jonction des conduits d'évacuation et des raccords de pression classiques est réalisée à l'intérieur de l'espace limité par les parois de l'enveloppe externe.

Comme spécifié ci-dessus, les parois de l'enveloppe externe sont conformées de façon z résister en pratique à des pres- sions élevées et cette jonction d'évacuation est également considérée comme une caractéristique de sécurité du mode de réalisation préféré.

On donnera ci-après, une liste des références des figures 1 et 2 permettant d'identifier les éléments constitutifs du concentrateur.

REFERENCE <SEP> DESCRIPTION
<tb> N
<tb> 1 <SEP> Enveloppe <SEP> extéricure <SEP> (carter) <SEP> du <SEP> concentrateur <SEP> de <SEP> boue <SEP> ; <SEP> paroi <SEP> en <SEP> acier <SEP> capable
<tb> de <SEP> résister <SEP> à <SEP> des <SEP> pressions <SEP> supérieures <SEP> à <SEP> 1577kg/cm2.
<tb>

2 <SEP> Adaptateur <SEP> comportant <SEP> un <SEP> alésage <SEP> de <SEP> diamètre <SEP> interne <SEP> 6,35 <SEP> cm.
<tb>

3 <SEP> Ecrou <SEP> à <SEP> oreilles.
<tb>

4, <SEP> 5, <SEP> 6, <SEP> 15 <SEP> Douilles <SEP> d'entretoisement <SEP> présentant <SEP> un <SEP> diamètre <SEP> interne
<tb> 18 <SEP> 6,35 <SEP> cm.
<tb>

7 <SEP> Elément <SEP> obturateur <SEP> d'extrémité <SEP> et/ou <SEP> embout <SEP> de <SEP> sortie.
<tb>

8 <SEP> Ecrous <SEP> de <SEP> verrouillage.
<tb>

9 <SEP> Manchon <SEP> pour <SEP> l'embout,
<tb> 10 <SEP> Adaptateur <SEP> pour <SEP> l'extrémité <SEP> de <SEP> petit <SEP> diamètre <SEP> du <SEP> cône <SEP> 11 <SEP> pour <SEP> renforcer <SEP> le
<tb> cône <SEP> en <SEP> des <SEP> points <SEP> de <SEP> pression <SEP> maximale.
<tb>

11 <SEP> Tronc <SEP> de <SEP> cône <SEP> (élément <SEP> tronconique) <SEP> présentant <SEP> un <SEP> diamètre <SEP> de <SEP> 7,77 <SEP> cm <SEP> à <SEP> son
<tb> extrémité <SEP> de <SEP> petit <SEP> diamètre <SEP> et <SEP> de <SEP> 26, <SEP> 67 <SEP> cm <SEP> à <SEP> son <SEP> extrémité <SEP> de <SEP> grand <SEP> diamètre,
<tb> pour <SEP> une <SEP> longueur <SEP> de <SEP> 53,34 <SEP> cm
<tb> 12 <SEP> Conduit <SEP> cylindrique <SEP> creux <SEP> (chamber <SEP> de <SEP> séparation) <SEP> présentant <SEP> un <SEP> diamètre <SEP> interne <SEP> de <SEP> 25,4 <SEP> cm <SEP> et <SEP> une <SEP> longueur <SEP> de <SEP> 30,48 <SEP> cm.
<tb>

13 <SEP> Détecteur <SEP> de <SEP> vortex <SEP> présentant <SEP> un <SEP> diamètre <SEP> interne <SEP> d <SEP> e <SEP> 7,62 <SEP> cm <SEP> et <SEP> d'une <SEP> longueur <SEP> de <SEP> 22,86 <SEP> cm.
<tb>

14 <SEP> Obturateur <SEP> d'extrémité <SEP> ou <SEP> embout <SEP> ou <SEP> sortie <SEP> (recyclage)
<tb> (Suite)

REFERENCE <SEP> DESCRIPTION
<tb> N
<tb> 16, <SEP> 20 <SEP> Adaptateurs.
<tb>

17 <SEP> Orifice <SEP> d'entrée <SEP> de <SEP> la <SEP> boue.
<tb>

19 <SEP> Ecrou <SEP> à <SEP> orille <SEP> de <SEP> l'orifice <SEP> d'évacuation.
<tb>

21, <SEP> 22, <SEP> 23 <SEP> Joint <SEP> torique.
<tb>

24, <SEP> 25, <SEP> 26 <SEP> Bagues.
<tb>

27 <SEP> Bague <SEP> de <SEP> retenue.
<tb>

28 <SEP> Bague <SEP> d'étanchéité.
<tb>

29, <SEP> 30 <SEP> Ecrous <SEP> de <SEP> raccords.
<tb>

31, <SEP> 32, <SEP> 33 <SEP> Bagues <SEP> d'arrêt.
<tb>

34 <SEP> Gouttières <SEP> dans <SEP> le <SEP> trons <SEP> de <SEP> cône.
<tb>

35 <SEP> Espace <SEP> "vide" <SEP> annulaire.
<tb>

La figure 3 est une vue schémstique d'un système utilisé pour fabriquer et injecter de la mousse dans un puits. Les références 102, 103, 104, 105 et 107 servent à identifier des vannes. Les références 108 et 109 servent à identifier des étranglements formant une duse d'étranglement.

Les figures 4 et 5 illustrent des détails d'un dispositif de commmunication de fluide prêéré.

Les figures 6 et 7 sont des représentations sché matiques illustrant le dispositif d'étranglement, décrit par Zingg et al. dans la demande de brevet US 185 087, ce dispositif étant fixé au concentrateur de boue. Ces figures représentent le dispositif d'étranglement coirnie. un dispositif en forme de boucle, comportant une source de fluide sous autre pression 11' qui est en communication de fluide avec un conduit renfermant une vanne 12'. La vanne est de préférence une vanne actionnée à distance par commande hydraulique (par exemple une vanne porte) qui régule l'écoulement des fluides à travers les conduits.Le fluide sous pression élevée provenant de la vanne 12' s'évacue dans un dispositif de dérivation 13' destiné à diviser le fluide sous haute pression en deux courants de fluides généralement égaux. Le fluide sortant du dispositif de dérivation s'écoule dans des conduits séparés 14' pour en diriger chacun des courants égaux en volume dans un des deux dispositifs de commande de pression (figures 8 et 9) présentant des orifices qui sont positionnés en ligne (c'est-à-dire coaxialement) et directement opposés l'un à l'autre (c'est-d-dire diamétriquement opposés). Les orifices sont conçus pour délivrer. des jets de courants de fluide de force pratiquement égale vers un point focal commun coaxial qui est contenu dans un réservoir 16' à partir duquel le fluide est collecté et évacué à la pression atmosphérique.Les dispositifs de commande de pression sont normalement contenus à l'intérieur d'une douille d'étranglement ou duse calibrée 15' en utilisant un adaptateur d'étranglement 113. Ces dispositifs de commande de pression sont alternativement désignés dans l'industrie pétrolière par l'expression "duses d'étranglement".

A la figure 8, la nouvelle duse dérranglemrnt est représentée sous la forme d'un carter présentant une forme généralement cylindrique avec un alésage traversant d'une première à une seconde extrémité. L'alésage présente une forme généralement circulaire en Section transversale et possède un axe directeur traversant de la première à la seconde extrémité. L'alésage présente des variations de diamètre, le long de son axe avec des zones de diamètre plus important adjacentes aux première et seconde extrémités. La portion étranglée de l'alésage présente une configuration générale ressemblant à celle d'une embouchure de trompette 110 entre la première extrémité et la région de diamètre minimal 111 présentant un diamètre d.L'alésage a une configuration tronconique 112 entre la seconde extrémité et la région de diamètre minimal avec un angle total inclus st de 4 à 8 (de préférence de 5 à 7 , avantageusement environ 50) et présentant une longueur L, le long de l'axe directeur, pouvant aller jusqu'à environ 9d. Lorsquc
L est inférieur à environ 9d, la pression dans le fluide n'est pas aussi réduite quelle pourrait l'être lorsqu'elle passe à travers la duse d'étranglement. Si L est supérieur à environ 9d, le fluide passant à travers la duse d'étranglement est soumis à une turbulence considérable lorsque le fluide commence à s'éloigner des parois de la duse d'étranglement.

La duse d'étranglement peut être fabriquée à partir de pratiquement n'importe quel matériau de construction, mais du fait qu'elle est exposée en général à des pressions élevées pendant les conditions d'utilisation, elle est normalement façonnée en métal (habituellement de l'acier) et dans la plupart des cas elle est fabriquée à partir de matériaux connus pour leur dureté et leur résistance à l'abrasion (par exemple le carbure de tungstène ou un acier carburé).La zone étranglée 110 est plus soumise à l'abrasion que la zone tronconique 112. I1 est, de ce fait, approprié et habituellement préféré de fabriquer la zone étranglée séparément du reste du dispositif d'étranglement d'écoulement et de monter un insert dans la duse qui ren ferme la zone d'étranglemeat. d mode de réali a-ion est illustré à la figure 9.Le montage d'un insert permet aux te & niciens d'utiliser des matériaux de construction qui peuvent entre plus crtiques pour l'application particulière et permet également aux techniciens d'utiliser plus efficacement la m@tallurgie des deux types différents de métaux. Par exemple, la zone étranglée pourrait entre un in- sert en carbure de tungstène et le reste de duse d'étranglement pourrait être en acier carburé qui est beaucoup moins cher et plus facile à usiner.

Le rayon de courbure de-la zone étranglée 110 peut être variable mais est habituellement au moins environ 0,5d (de préférence de 0,5d à l.Od) lorsqu'il est de forme circulaire ou elliptique. Cette ouverture bien ronde au niveau de l'étranglement permet un écoulement maximal à travers la duse d'étranglement et élimine la formation d'une veine contractée. Ceci est important du fait que, lorsque l'écoulement est maximal dans la duse d'étranglement, les espaces vides associés à une veine contractée ne se forment pas et ne donnent pas naissance aux phénomènes de bélier et de cavitation que pourraient engendrer les fluides passant à travers la duse d'étranglement à la surface de la zone étranglée.

La zone étranglée passe à travers la région de diamètre minimal 111 et s 'ouvre douvement et directement dans la zone de configuration tronconique 112. L'angle total inclus dans la configuration tronconique, comme spécifié ci-dessus, est avantageusement de 5 , et sa longueur L est avantageusement d'environ 9d.

La face externe de la duse d'étranglement peut être de configuration variable selon l'usage mais elle est généralement de forme cylindrique avec des filetages extérieurs 117 ménagés à l'extrémité d'évacuation B. Ces filetages externes sont adaptés à s'engager avec un adaptateur d'étranglement 113 qui maintient la duse d'étranglement en place pendant les conditions d'utilisation. L'extrémité d'entrée A de la duse d'étranglement présente habituellement une configuration hexagonale 116 (non spécifiquement illustré au dessin) l'adaptant à être montée ou démontée à l'intérieur de l'adaptateur d'étranglement 113 en utili- sant une clé anglaise classique (c'est-à-dire un embout permettant l'engagement d'une clé).

L'adaptateur d'étranglement 113 est également de façon usuelle de forme cylindrique, bien qu'il puisse prendre différentes configurations, et présente des filetages internes 118 pour s'engager avec la duse d'étranglement, et des filetages externes 119 pour s'engager avec une duse calibrée 15'. L'adaptateur d'étranglement est en premier un dispositif d'entretoisement convenable qui maintient fermement la duse d'étranlement à l'intérieur de l'alésage de la duse calibrée. L'adaptateur d'étranglement présente habituellement un embout 120 conçu pour l'engagement d'une clé à l'extrémité d'entrée et un alésage cylindrique creux 121 à l'extrémité d'évacuation pour recevoir des fluides dépressurisés passant à travers la duse d'écoulement.L'adaptateur d'étranglement peut être en différents matériaux de construction, mais il est habituellement en métal (en général de l'acier).

La duse calibrée 15' est pourvue de filetages internes pour l'engagement par vissage de l'adaptateur d'étranglement 113. L'alésage creux évacue les fluides provenant du dispositif adaptateur/duse d'étranglement, et renferme également des moyens à l'extrémité d'entrée pour l'engager solidement en communication de fluide avec une source de fluide sous pression provenant du conduit 14'.

La duse calibrée peut être en différents matériaux de construction. Mais elle est habituellement conçue pour résister à des pressions élevées, et est normalement en métal (par exemple en acier).

Des dispositifs d'étanchéité aux fluides 122, par exemple des joints toriques en élastomètre, sont appropriés en de nombreux cas, et sont illustrés sur la figure 9.

La duse d'étranglement illustre sur la figure 8 est incorporée dans une duse calibrée comme illustré sur la figure 9 et est utilisée dans le dispositif d'étranglement fixé au concentrateur de boue pendant un processus de fracture sous haute pression dans un puits de forage.

La zone d'étranglement de la duse d'écoulement est un insert en carbure de tungstène et le restant de la duse d'éArang'e- ment d'écoulement est en acier carburé. La duse d'étrangle ment ne montrait aucun signe d'usure après huit heures d'uti lisation pendant lesquelles le fluide était mis sous pression à travers la duse à plus de 700 kg/cm2. Lorsque la duse d'étranglement selon l'invention fut remplacée par une duse d'étranglement classique du commerce en céramique, cette dernière se détruisait en moins de vingt minutes.

Dans un autre cas, un puits a été fracturé hydrauliquement en utilisant un fluide de fracture à mousse, et de l'azote gazeux et d'autres gaz ont été introduits sous haute pression à l'intérieur du puits. Le puits a été fermé par vanne ; la duse calibrée qui contient l'adaptateur d'étranglement et la duse d'étranglement ont été fixées et la vanne du puits réouverte. Les gaz émis à partir du puits sont sous plusieurs centaines de kg de pression et auraient normalement détruit des duses d'écoulement en céramique en quelques minutes,mais la duse d'étranglement selon l'invention (comme spécifié ci-dessus) montre peu ou pas de signes d'usure pendant la phase d'évacuation de la pression du puits.Les gaz et les liquides émis à partir du puits sont évacués avec sécurité dans des tuyauteries classiques sans qu'il se produise d'érosion exagérée.

Le dispositif d'étranglement peut entre de dimension variable et etre facilement adapté comme élément constitutif dans un concentrateur de boue mobile. Les matériaux de construction peuvent être choisis à volonté aussi longtemps qu'ils satisfont aux limitations de pressions auxquelles l'appareil particulier sera exposé. L'acier est le ma tériau le plus classique de construction et est, de ce fait, habituellement utilisé.

L'exemple suivant servira en outre à illustrer l'invention
Le concentrateur de boue illustré sur les figures 1 et 2 est utilisé dans un système de fracture comme représenté sur la figure 3 dans un processus de fracture par mousse d'un puits situé dans le Luling Branyon Fieid dans le comté de Guadalupe au TEXAS. Le puits a approximative- ment 610 mètres de profondeur et présente une pression st:atique en fond de forage de 49 kgs/cm2 et une perméabilité de 0,21 millidarcies (en moyenne).

Dans ce traitement, 18,925 litres de fluide porteur (saumure de KCl à 2% gélifiée avec un agent de géli- fication polymère commercialisé sous la dénomination Dowells
J312 (2,4 kg par litre de saunLrej et 18,925 litres de fluide porteur sont mélangés avec 2 260 kg de sable passant au tamis de 100 mailles et ensuite 9 462 litres de fluide porteur sont pompés de manière séquentielle à travers le concentrateur de boue avec le dispositif d'étranglement fermé de sorte qu'aucun liquide n'est éliminé des fluides passant à travers selon un débit de 3,18m3 par minute ; un mélange d'agents tensio-actifs du commerce(Dowell F78 (3 parties en poids) et Dowell F75N (2 parties en poids) ) est ajouté selon un débit de O,08m3 par minute et l'on fait ensuite mousser les fluides au moyen d'azote gazeux (2 > 07 m3 par minute, sur la base liquide) pour obtenir une qualité de mousse de 65 (c'est-à-dire un indice Mitchell de 65) et l'on injecte le produit obtenu dans le puits.

La vanne du dispositif d'étranglement est ensuite ouverte et une boue de fluide porteur, mangée avec des quantités croissantes de sable passant au tamis de 20-40 mailles, est ensuite pompée à travers le système (à raison de 3,2 m3 par minute), concentrée et transformée en mousse en utilisant le meme mélange d'agents tensio-actifs et d'azote selon les Ces débits que spécifiés ci-dessus. La boue est mélangée à une concentration conçue pour obtenir 119,8kg/m3 de liquide dans la mousse initialement et pour faire ensuite monter cette concentration de façon uniforme jusqu'à une concentration finale de 0,6 à 0,7 kg de sable par litre de fluide dans la mousse pendant une petite période de temps (par exemple 3,4 minutes). Ce mode de mise en oeuvre est facilement réalisé. La boue traversant le concentrateur varie ainsi d'une densité absolue d'envIron 1128 kg/m3 à environ 1570 kg/m3 et la boue évacuée du con centrateur présente une densi@@ @bsolue qui varie de façon correspondante entre environ 1190 kg/m3 à environ 1750 kg/m3. Ces données sont consignées dans le tableau 1 cidessous.

TABLEAU 1
CONCENTRATION DE L'AGENT DE SOUTENEMENT
kg/m3 DE FLUIDE

<tb> Boue <SEP> initiale <SEP> Boue <SEP> d'évacuation <SEP> Mousse
<tb> <SEP> 1128 <SEP> 1188 <SEP> 1
<tb> <SEP> 1249 <SEP> 1332 <SEP> 2
<tb> <SEP> 1320 <SEP> 1464 <SEP> 3
<tb> <SEP> 1992 <SEP> 1560 <SEP> 4
<tb> <SEP> 1464 <SEP> 1644 <SEP> 5
<tb> <SEP> 1572 <SEP> 1752 <SEP> 6+
<tb>
Pour illustrer les données d'une autre manière habituellement utilisée dans le domaine, des densités absolues de 1464 et 1644 k/m3 correspondent à 1055 et 1714 kg de sable ajoutés par m3 de fluide, respectivement.

Sans le concentrateur de boue et les caractéristiques dynamiques du système, on pourrait penser généralement qu'il serait impossible par exemple, pour un m3 de ce fluide porteur de transporter 1644 kg de sable, c'est-à-dire beaucoup moins que les 2217 kg que l'on a pu obtenir pendant le cours de ce procédé de fracture. Au total 107 000 kg d'agent de soutènement sont mis en place en utilisant 337 000 litres de fluide liquide en 18126 m3 d'azote. Ce puits est fermé pendant une certaine période et ouvert doucement, selon les processus normalisés. Le processus de fracture s'est déroulé avec extrtmement de succès selon les données initiales de production.

Le concentrateur de boue utilisé dans l'exemple ci-dessus a été mis en oeuvre de façon similaire dans d'autres processus de fractures où la boue a été soumise à des pressions supérieures à 700 lcg/cm2. Ces processus ont été mis en oeuvre de façon identique avec succès et le concentrateur de boue a très bien fonctionné.

Claims

REVENDICATIONS

1. Concentrateur de boue caractérisé par le fait qu'il comporte un carter (1) présentant une première extrémité et une seconde extrémité, ce carter (1) définissant un alésage de section transversale généralement circu laire et présentant un axe directeur s'étendant de la première à la seconde extrémité, la zone de carter adjacente à la première extrémité définissant un passage d'entrée (17) qui est généralement disposé de façon tangentielle par rapport audit alésage ; un conduit cylindrique creux (12) ayant un diamètre approximativement égal au diamètre de l'alésage, qui est positionné de façon non rotative à l'intérieur de l'alésage et adjacent à la première extrémité du carter (1), ce conduit (12) présentant un orifice d'entrée en alignement avec ledit passage d'entrée (17) ; un élément tronconique creux (11) présentant une extrémité de petit diamètre et une extrémité de grand diamètre disposées à l'intérieur de l'alésage, l'extrémité de grand diamètre étant disposée généralement adjacente à la première extrémité du carter (1) et ayant un diamètre approximativement égal au diamètre de l'alésage, l'extrémité de petit diamètre étant disposée généralement éloignée par rapport à la première extrémité du carter (1) ; un premier élément obturateur d'extrémité (14) fixé au carter (1) et y supportant un premier conduit d'évacuation (13, 13A) qui est généralement coaxial à l'alésage et qui s'étend dans l'alésage et dans leconduit cylindrique (12) au-dela du passage d'entrée (17), mais qui ne se prolonge pas à. l'intérieur de l'élément tronconique (11) ; un second élément obturateur d'extrémité (7) fixé au carter (1) et y supportant un second conduit d'évacuation (13B)quiestgénéra lement coaxial avec l'alésage et qui est en communication de fluide avec l'extrémité de petit diamètre de l'élément tronconique (11), la face externe de l'élément tronconique (11) et la face adjacente du carter (1) définissant un espace gé généralement annulaire (35) ; et un dispositif de communication de fluide (34), entre l'espace annulaire (35) et l'espace interne, vers l'élément tronconique (11).
2. Concentrateur de boue selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le carter (1) est capable de résister à des pressions d'au moins environ 790 kg/cm2 à l'intérieur de l'alésage.
3. Concentrateur de boue selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif de communication de fluide (34) entre l'espace annulaire (35) et l'espace interne vers l'élément tronconique (11) est logé à la jonction du conduit cylindrique creux (12) et de l'extrémité de grand diamètre de l'élément tronconique (11).
4. Concentrateur de boue selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le dispositif de communation de fluide (34) comporte un certain nombre de gouttières longitudinales disposées vers l'extrémité de grand diamètre de l'élément tronconique (11), ce qui ménage une série d'ouvertures autour de son périmètre.
5. Concentrateur de boue selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le second élément obturateur d'extrémité (7) comporte, en outre, des moyen8 de support (10) pour l'extrémité de petit diamètre de l'élément tronconique (11).
6. Concentrateur de boue selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il renferme un dispositif de r6- duction de pression en communication de fluide avec le premier conduit d'évacuation (13, 13A), ce dispositif de réduction de pression comportant

a) un dispositif en communication de fluide avec un premier conduit d'évacuation pour recevoir et diviser un premier courant s'écoulant à travers en deux courants lat6- raux pratiquement égaux ;

b) un conduit en communication de fluide avec a) pour diriger chacun des courants latéraux vers l'une de deuz duses d'étranglement ;

c) ces duses d'étranglement étant alignées coaxialement et diamétralement opposées, de sorte que les ~~~~~~~~ -- courants de fluide passant à travers sont sensiblement égaux et se rencontrent en un point focal commun.
7 - Système pour produire une boue de densité accrue comportant un dispositif de mélange pour mélanger un liquide porteur avec un agent de soutènement pour former une première boue, et-un dispositif de pompage à haute pression pour pomper cette première boue dans le concentrateur de boue de la revendication 1.
8 - Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif pour recycler un fluide porteur provenant d'un premier conduit d'évacuation vers un réservoir pour ce fluide porteur ou vers ce dispositif de mélange.

d) un dispositif pour injecter cette mousse sous pression dans ce puits.

c) un dispositif pour former une mousse sous pression présentant un indice Mitchell de 0,6 à 0,9 en mélangeant un agent tensio-actif et un gaz avec cette seconde boue, et

b) un dispositif de pompage sous haute pression pour pomper cette première boue dans le concentrateur de boue disposé horizontalement selon la revendication 1, par son orifice d'entrée de boue (17) à un débit et une pression tels qu'une partie de ce liquide porteur se sépare de ladite boue et est éliminée et qu'une seconde boue de densité accrue est évacuée à la pression de fracture ou de matrice

a) un dispositif de mélange pour mélanger un fluide porteur avec un agent de soutènement pour former une première boue
9 - Système pour traiter un gisement souterrain traversé par un puits de forage avec une mousse pressurisée, caractérisé par le fait qu'il comporte
10 - Système selon la revendication 9, caractéri sé par le fait que cet agent de soutènement est tu sable, de la bauxite frittez, du sable revStu de résine et/ou des perles de verre.
11 - Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que ce gaz est de l'azote et que la pression d'évacuation de cette seconde boue est d'au moins environ 700 kg/cm2.
12 - Système de production d'une boue de densité accrue comportant un dispositif de mélange pour mélanger un liquide porteur avec un agent de soutènement pour former une première boue, un dispositif de pompage sous pression élevée pour pomper cette première boue dans le concentrateur de boue de la revendication 1 avec un agencement d'étranglement pour dépressuriser le fluide sous haute pression à partir du premier conduit d'évacuation (13, 13A) dans le concentrateur de boue, ce conduit d'évacuation (13, 13A) étant en communication de fluide avec deux dispositifs de commande de pression présentant des orifices qui sont coaxiaux et diamétralement opposés, et conformés pour délivrer des courants de force généralement égale vers un point focal commun coaxial.
13 - Système selon la revendication 12, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de partition (13') pour diviser ce fluide sous haute pression en deux courants généralement égaux, ce dispositif de partition étant en communication de fluide avec les dispositifs de commande de pression opposés.