FR2641319A1 - Cementing head for an oil well - Google Patents
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- E21B33/05—Cementing-heads, e.g. having provision for introducing cementing plugs
Abstract
Description
Tête de cimentation de puits pétroliers
L'invention concerne le secteur technique de la cimentation de l'annulaire des puits petroliers. Oil well cementing head
The invention relates to the technical sector of the annealing of oil wells.
On connait parfaitement le principe de cette technique qui consiste à injecter en séquence appropriée, dans l'intérieur du tubage ou "casing" descendu dans le puits de forage, des fluides tels que boue, laitier de ciment,séparés par un bouchon mécanique ("plug")et/ou par un fluide de séparation ("spacer"). On doit aussi lancer de manière appropriée un ou plusieurs bouchons mécaniques pour isoler certaines zones du puits.We are fully aware of the principle of this technique which consists in injecting, in an appropriate sequence, into the interior of the casing or "casing" lowered into the wellbore, fluids such as mud, cement slag, separated by a mechanical plug (" plug ") and / or by a separation fluid (" spacer "). One or more mechanical plugs must also be properly launched to isolate certain areas of the well.
L'ensemble de ces opérations s'effectue sous très haute pression (pression de pompage des fluides dans le puits).All of these operations are carried out under very high pressure (pumping pressure of the fluids in the well).
Toutes ces opérations font, dans leur principe et leur mode opératoire, partie de la routine pour l'ingénieur du terrain.All these operations are, in principle and their operating mode, part of the routine for the field engineer.
Actuellement, et depuis plusieurs dizaines d'années, on utilise des têtes de cimentation telles que représentées sur la Figure 2 annexée.Currently, and for several decades, cement heads are used as shown in Figure 2 attached.
Les têtes de cimentation de l'art antérieur fonctionnent de la maniere suivante (le fluide arrive sous tres haute pression en "F" ) : - on ouvre tout d'abord la vanne V1 (les vannes V2 et
V3 étant fermées) pour circuler un premier fluide dans le puits (P) sans lancer de bouchon ; ce premier fluide peut être une boue.The cementing heads of the prior art operate in the following manner (the fluid arrives at very high pressure at "F"): - first of all the valve V1 is opened (the valves V2 and
V3 being closed) to circulate a first fluid in the well (P) without throwing a plug; this first fluid can be a mud.
- on ouvre V2 après avoir fermé V1, V3 restant fermee et on admet ainsi un laitier de ciment sous très haute pression. Sous la pression, l'élément R1 (calibré) se rompt et le premier bouchon (5) est libéré et descend dans le puits. Il est suivi par le laitier de ciment que l'on continue de pomper. l'élément T ("tell-tale") monté sur ressort détecte le passage du bouchon.- V2 is opened after closing V1, V3 remaining closed and thus admitting a cement slag under very high pressure. Under pressure, the element R1 (calibrated) breaks and the first plug (5) is released and descends into the well. It is followed by the cement slag which we continue to pump. the spring-mounted element T ("tell-tale") detects the passage of the plug.
- lorsque la phase ci-dessus est terminée, on ferme V1 et V2, on ouvre V3, et on pompe à nouveau un laitier de ciment. Par le même processus, le bouchon (6) est libéré par rupture de l'élément R2 calibré - l'élément
T détecte le passage du second bouchon.- when the above phase is finished, we close V1 and V2, we open V3, and we pump a cement slag again. By the same process, the plug (6) is released by rupture of the calibrated R2 element - the element
T detects the passage of the second plug.
- On ferme ensuite V3.- Then we close V3.
La manoeuvre de V1, V2 et V3 est effectuée manuellement car un contrôle à distance serait trop complexe.The operation of V1, V2 and V3 is carried out manually because remote control would be too complex.
De plus, la tête de cimentation, qui doit être entièrement résistante aux très hautes pressions, est extrêmement lourde. Ceci est un sérieux inconvénient supplémentaire d'une part car la tête doit être soulevée au-dessus de la "table" du derrick et d'autre part car la manoeuvre d'une telle masse entraine un risque très élevé d'endommager le filetage à filets fins du manchon (2).In addition, the cementation head, which must be fully resistant to very high pressures, is extremely heavy. This is a serious additional disadvantage on the one hand because the head must be raised above the "table" of the derrick and on the other hand because the operation of such a mass involves a very high risk of damaging the thread. thin threads of the sleeve (2).
Enfin, autre inconvénient grave, le phénomène bien connu de "U - tube " (chute libre du laitier de ciment dans le puits) qui se produit lors de la cimentation, provoque une dépression passage mais brutale et importante. Lorsque le premier bouchon a été lancé mais que le second n'a pas encore été lancé, cette depres- sion s'exerce sur le bouchon (6) et peut déformer l'élément R2. Cette déformation peut avoir une incidence sérieuse sur le lancement du second bouchon (lancement prématuré, blocage, coinçage en biais dans le puits etc...) et/ou la géométrie ou la résistance du bouchon, ce qui peut compromettre l'opération de cimentation.Finally, another serious drawback, the well-known phenomenon of "U - tube" (free fall of the cement slag in the well) which occurs during cementing, causes a passing but abrupt and significant depression. When the first plug has been launched but the second has not yet been launched, this depression is exerted on the plug (6) and can deform the element R2. This deformation can have a serious impact on the launching of the second plug (premature launching, blocking, wedging at an angle in the well, etc.) and / or the geometry or the strength of the plug, which can compromise the cementing operation. .
L'invention propose une tête de cimentation intégrée au tubage ou "casing", telle que représentée sur la
Fig. 1 annexée.The invention provides a cementing head integrated into the casing or "casing", as shown in the
Fig. 1 attached.
Sur les Fig. 1, 2, 3 et 4, les mêmes références des gnent les mêmes éléments.In Figs. 1, 2, 3 and 4, the same references generate the same elements.
La tête de cimentation selon l'invention se compose principalement d'un élément tubulaire extérieur (4), d'un élément tubulaire intérieur (3), d'un bouchon supérieur ou "cap" (7) comportant un orifice (8) permettant d'injecter les fluides (F) dans la tête de cimentation et d'une pièce (9) capable de maintenir mécaniquement les éléments (3) et (4) en position, et pouvant être vissée sur le manchon ou "collar" (2) luimême monté de manière classique sur le tubage (1) ou "casing". The cementing head according to the invention mainly consists of an outer tubular element (4), an inner tubular element (3), an upper plug or "cap" (7) having an orifice (8) allowing inject the fluids (F) into the cementing head and a part (9) capable of mechanically holding the elements (3) and (4) in position, and which can be screwed onto the sleeve or "collar" (2 ) itself mounted conventionally on the casing (1) or "casing".
L'élément interne (3) est immobilisé en rotation par la pièce (10) solidaire de l'élément interne (3) et qui est bloquée en rotation par engagement dans une gorge (11) appropriée ménagée dans la piece (9).The internal element (3) is immobilized in rotation by the part (10) integral with the internal element (3) and which is blocked in rotation by engagement in a suitable groove (11) formed in the part (9).
Des joints (12, 13) assurent l'étanchéité aux fluides sous pression comme représente sur la Fig. 1.Seals (12, 13) seal the fluids under pressure as shown in FIG. 1.
L'élément interne (3) est solidaire d'une pièce (14) qui est donc également fixe en rotation. L'élément externe (4) mobile en rotation comporte des rainures adaptées (15) qui permettent à l'élément (4) de se déplacer en rotation malgre la présence de la pièce (14).The internal element (3) is integral with a part (14) which is therefore also fixed in rotation. The external element (4) movable in rotation has adapted grooves (15) which allow the element (4) to move in rotation despite the presence of the part (14).
L'élément interne (3) comporte trois orifices A, B et
C alignes et disposés comme représente sur la Fig. 1, percés dans la paroi.The internal element (3) has three holes A, B and
C lines and arranged as shown in Fig. 1, drilled in the wall.
L'élément externe mobile (4) comporte trois orifices a, b et c identiques aux orifices A, 8 et C (ou sensiblement identiques), ainsi que trois orifices de dimensions plus faibles, x, y et z, destinés à permettre l'égalisation des pressions comme cela sera expliqué ci-après.The movable external element (4) has three orifices a, b and c identical to the orifices A, 8 and C (or substantially identical), as well as three orifices of smaller dimensions, x, y and z, intended to allow the pressure equalization as will be explained below.
La Fig. 1 correspond à un exemple non limitatif de tête de cimentation destinée à lancer deux bouchons ou "plugs" 5 (inférieur) et 6 (supérieur).Fig. 1 corresponds to a nonlimiting example of a cementing head intended for launching two plugs or "plugs" 5 (lower) and 6 (upper).
Des modifications évidentes portant sur le nombre et la localisation angulaire des orifices de type A, a, ou x permettent d'augmenter le nombre de bouchons par exemple jusqu'à 3 ou 4.Obvious modifications relating to the number and the angular localization of the orifices of type A, a, or x make it possible to increase the number of plugs for example up to 3 or 4.
Ces modifications ne seront pas décrites ici, car elles apparaitront clairement à l'homme de métier à la lecture du mode de fonctionnement de la version à deux bouchons, qui va suivre.These modifications will not be described here, because they will appear clearly to a person skilled in the art on reading the operating mode of the two-plug version, which will follow.
La mise en oeuvre et le fonctionnement du dispositif selon l'invention (Fig. 1 et 3 composée de 3a, 3b, et 3c, la Fig. 3 représentant des bouchons adaptés selon l'invention) seront compris à la lecture de la description qui va suivre et en se référant au dessin annexe.The implementation and operation of the device according to the invention (Fig. 1 and 3 composed of 3a, 3b, and 3c, Fig. 3 representing plugs adapted according to the invention) will be understood on reading the description which will follow and referring to the accompanying drawing.
Avant le placement de la tête de cimentation (composée principalement des pièces 7 (bouchon), 3 (élément interne fixe en rotation), 4 (élément externe mobile en rotation), 14 (pièce de fixation des bouchons 5 et 6 par rapport à l'élément 3) et 9 (pièce de raccordement au manchon ou "collar" 2), les deux bouchons 6 et 5 sont mis en place sur la tête, de la manière suivante.Before placing the cementing head (mainly consisting of parts 7 (plug), 3 (internal element fixed in rotation), 4 (external element mobile in rotation), 14 (fixing part of plugs 5 and 6 with respect to the 'element 3) and 9 (connection piece to the sleeve or "collar" 2), the two plugs 6 and 5 are placed on the head, as follows.
On introduit tout d'abord le bouchon supérieur (6) par glissement vers le haut le long de la tête, la pièce (14) coulissant dans la gorge (16) du bouchon (cf. Fig. 3) et l'élément externe rotatif (4) étant en position telle que son ergot de blocage des bouchons (ergot (17)) soit en position I2 (Fig. 3a) ce qui permet de faire coulisser cet ergot dans la gorge verticale (18) du bouchon (6). First of all, the upper plug (6) is introduced by sliding upwards along the head, the part (14) sliding in the groove (16) of the plug (cf. Fig. 3) and the rotary external element. (4) being in a position such that its plug blocking lug (lug (17)) is in position I2 (Fig. 3a) which allows this lug to slide in the vertical groove (18) of the plug (6).
Lorsque le bouchon (6) est en position, on fait pivoter l'élément (4) jusqu'en Il/V2. Cette manoeuvre permet de faire coulisser à son tour le bouchon inférieur (5) grève aux gorges verticales (16) et (19) de ce bouchon (cf. Fig. 3b) et bloque simultanément le bouchon (6) car l'ergot 17 n'est plus en regard de la gorge verticale 18. Les deux bouchons (5) et (6j comportent une gorge horizontale (20) débouchant respectivement dans les gorges verticales (19) et (18), cette gorge (20) permettant le mouvement en rotation simultanée des deux ergots (17).When the plug (6) is in position, the element (4) is pivoted to Il / V2. This maneuver makes it possible in turn to slide the lower plug (5) strike at the vertical grooves (16) and (19) of this plug (cf. Fig. 3b) and simultaneously blocks the plug (6) because the lug 17 n is more opposite the vertical groove 18. The two plugs (5) and (6j have a horizontal groove (20) opening respectively into the vertical grooves (19) and (18), this groove (20) allowing movement in simultaneous rotation of the two pins (17).
Lorsque le bouchon (5) est à son tour en position, on amène les deux ergots (17) en position V1/R (Fig 3a) ce qui assure le verrouillage du bouchon (5) sans déverrouiller le bouchon (6).When the plug (5) is in turn in position, the two pins (17) are brought into position V1 / R (Fig 3a) which ensures the locking of the plug (5) without unlocking the plug (6).
Les deux bouchons étant ainsi verrouillés, on visse la tête de cimentation sur le "collar" (2) comme représente sur la Fig. 1.The two plugs being thus locked, the cementing head is screwed onto the "collar" (2) as shown in FIG. 1.
Les orifices en communication, dans cette position de l'élément (4), sont a et A d'une part; x et B d'autre part ; et enfin y et C.The orifices in communication, in this position of the element (4), are a and A on the one hand; x and B on the other hand; and finally y and C.
Si l'on injecte un premier fluide sous haute pression en F, ce fluide (circulation de boue, laitier de ciment, saumure, etc...) va s'écouler par l'orifice (a,
A) (l'élément (3) est obturé par le fond (f)) et remplir son office. Simultanément les orifices (x, B) et (y, C) assurent l'équilibrage des pressions dans toutes les zones situées de part et d'autre des bouchons. Ainsi les bouchons ne subissent aucune contrainte et seules les pièces (7) et (9) doivent être qualifiées "haute pression".If a first fluid is injected under high pressure at F, this fluid (circulation of mud, cement slag, brine, etc.) will flow through the orifice (a,
A) (the element (3) is closed by the bottom (f)) and fulfill its function. Simultaneously the orifices (x, B) and (y, C) ensure pressure balancing in all the zones located on either side of the plugs. Thus the plugs are not subjected to any constraint and only the parts (7) and (9) must be qualified "high pressure".
Lorsque la première circulation de fluide par (a, A) est achevée, on fait pivoter l'élément (4) de la position de repos (R) à la position (L1) (cf. Fig. 3). Ce mouvement provoque simultanément - la disparition de la coincidence a, A - la coincidence (b, B) - la coincidence (z, C) - le positionnement des ergots (17) au regard de la
gorge (19) du bouchon (5).When the first circulation of fluid by (a, A) is complete, the element (4) is pivoted from the rest position (R) to the position (L1) (cf. Fig. 3). This movement simultaneously causes - the disappearance of the coincidence a, A - the coincidence (b, B) - the coincidence (z, C) - the positioning of the pins (17) with regard to the
groove (19) of the plug (5).
On comprend aisément que la pression chasse le bouchon (5) vers le bas (l'ergot (17) étant capable de coulisser dans la gorge (19)) tandis que l'orifice (z, C9 égalise la pression dans la zone supérieur ce qui fait qu'aucune contrainte ne s'exerce sur le bouchon supérieur (6).It is easy to understand that the pressure drives the plug (5) down (the lug (17) being able to slide in the groove (19)) while the orifice (z, C9 equalizes the pressure in the upper zone this which means that no stress is exerted on the upper plug (6).
Chaque bouchon (5) et (6) comporte sur sa partie superieure un clapet d'obturation capable de résister à la pression de travail dans le puits.Each plug (5) and (6) has on its upper part a shutter valve capable of withstanding the working pressure in the well.
Ce clapet est compose d'une plaque rigide ou semirigide (21) capable de pivoter vers le centre de la tête et vers le bas sous l'action d'un élément élastique (22) (lame métallique, lame caoutchouc etc...).This valve is composed of a rigid or semi-rigid plate (21) capable of pivoting towards the center of the head and downwards under the action of an elastic element (22) (metal blade, rubber blade, etc.) .
Cf. Fig. 1 et Fig. 3. See Fig. 1 and Fig. 3.
Lorsque l'on positionne les bouchons (5) et (6) sur l'élément (4) on relève naturellement les clapets. Au repos, les clapets s'appuient sur l'élément (4) en position légèrement inclinée vers l'intérieur, l'élément élastique 22 étant comprimé, afin que, dès que le bouchon est dégagé du bas de l'élément (4) le clapet ait tendance à se refermer sur l'orifice central (23) du bouchon. Ce mouvement de fermeture est amplifié par la pression du fluide qui s'exerce alors sur la face supérieure de la plaque (21). Cette pression fait que la plaque (21) est solidement et définitivement maintenue contre la face supérieure (24) du bouchon. Elle obture donc l'orifice (23) ce qui permet au bouchon de remplir son rôle d'élément d'isolation de zone. Un bossage (25) de géométrie adaptée permet de fixer la plaque 21 en position fermee.When the plugs (5) and (6) are positioned on the element (4), the valves are naturally raised. At rest, the valves rest on the element (4) in a slightly inclined inward position, the elastic element 22 being compressed, so that, as soon as the plug is released from the bottom of the element (4) the valve tends to close on the central orifice (23) of the plug. This closing movement is amplified by the pressure of the fluid which is then exerted on the upper face of the plate (21). This pressure causes the plate (21) to be firmly and definitively held against the upper face (24) of the plug. It therefore closes the orifice (23) which allows the plug to fulfill its role as an area insulating element. A boss (25) of suitable geometry makes it possible to fix the plate 21 in the closed position.
Pour lancer le second bouchon (6) on fait pivoter l'élément (4) de la position (L1) à la position (L2) ce qui - empêche la coIncidence (a, A) - provoque la coincidence (c, C) - fait disparaitre la coincidence (z, C) - amène les 2 ergots (17) au regard de la gorge verticale (18) du bouchon (6) : celui-ci est donc chassé librement par le fluide passant par l'orifice (c, C).To launch the second plug (6), the element (4) is pivoted from position (L1) to position (L2) which - prevents coincidence (a, A) - causes coincidence (c, C) - eliminates the coincidence (z, C) - brings the 2 lugs (17) to the vertical groove (18) of the plug (6): it is therefore driven freely by the fluid passing through the orifice (c, VS).
La Fig. 4, qui se compose des Fig. 4e et 4b, représente une variante de bouchon à clapet interne dont le fonctionnement est très similaire à celui qui vient d'être décrit. (comme pour les autres figures, les mêmes références numériques désignent des éléments de fonction identique).Fig. 4, which consists of Figs. 4e and 4b, represents a variant of an internal valve plug whose operation is very similar to that which has just been described. (as for the other figures, the same reference numerals designate elements of identical function).
Selon une autre variante évidente, le bouchon (7) peut etre divisé en une partie centrale solidaire de l'élé- ment interne (3) fixe, et en une partie externe concentrique solidaire de l'élément externe (4) et mobile en rotation.According to another obvious variant, the plug (7) can be divided into a central part secured to the fixed internal element (3), and into a concentric external part secured to the external element (4) and movable in rotation .
Afin de rendre les Figures plus claires, l'échelle n'a pas été respectée et certains éléments n'ont pas été représentés sur toutes les Figures, ou bien une seule fois. Par exemple le clapet (21, 22r na pas été représente, sur la Fig. 1, pour le bouchon 5.In order to make the Figures clearer, the scale was not respected and certain elements were not represented on all the Figures, or only once. For example, the valve (21, 22r has not been shown, in FIG. 1, for the plug 5.
Les rectifications, notamment d'échelle, sont absolument évidentes et s'imposeront à l'homme de métier.The corrections, in particular of scale, are absolutely obvious and will be imposed on the skilled person.
L'invention propose donc une tête de cimentation - légère - permettant de lancer au moins deux bouchons - fiable (les bouchons ne sont pas soumis à des contraintes inutiles tant que l'on ne procède pas à leur lancement); - d'une mise en oeuvre simple (les vannes V1, V2, V3 sont supprimées) - et pouvant être commandée et automatisée à distance (il suffit de commander le pivotement du bouchon supe rieur-ou "cap" (7), qui est mécaniquement solidaire en (25) de l'élément pivotant (4), par des moyens mécaniques connus, qui peuvent être simples et fiables (vérin, bielle, engrenage, commande pneumatique, hydraulique, électromagnétique) et sont bien connus. The invention therefore proposes a cementing head - light - making it possible to launch at least two plugs - reliable (the plugs are not subjected to unnecessary stresses as long as they are not launched); - of a simple implementation (the valves V1, V2, V3 are omitted) - and being able to be controlled and automated remotely (it suffices to control the pivoting of the upper cap - or "cap" (7), which is mechanically secured at (25) to the pivoting element (4), by known mechanical means, which can be simple and reliable (actuator, connecting rod, gear, pneumatic, hydraulic, electromagnetic control) and are well known.
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