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WO2000039431A1 - Procede et dispositif pour regler a une valeur de consigne le niveau du fluide de forage dans le tube prolongateur - Google Patents

Procede et dispositif pour regler a une valeur de consigne le niveau du fluide de forage dans le tube prolongateur Download PDF

Info

Publication number
WO2000039431A1
WO2000039431A1 PCT/FR1999/003296 FR9903296W WO0039431A1 WO 2000039431 A1 WO2000039431 A1 WO 2000039431A1 FR 9903296 W FR9903296 W FR 9903296W WO 0039431 A1 WO0039431 A1 WO 0039431A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
drilling
annular space
liquid
mud
flow rate
Prior art date
Application number
PCT/FR1999/003296
Other languages
English (en)
Inventor
Thierry Botrel
Original Assignee
Elf Exploration Production
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elf Exploration Production filed Critical Elf Exploration Production
Priority to EP99961177A priority Critical patent/EP1144800A1/fr
Publication of WO2000039431A1 publication Critical patent/WO2000039431A1/fr
Priority to NO20013227A priority patent/NO20013227L/no

Links

Classifications

    • 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
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/08—Controlling or monitoring pressure or flow of drilling fluid, e.g. automatic filling of boreholes, automatic control of bottom pressure

Definitions

  • the present invention relates to the operation of installations used for drilling wells on land or at sea and of installations for carrying out maintenance operations on existing wells.
  • Stavanger NORWAY entitled “New concepts for improved well control”
  • Stavanger NORWAY includes a train of hollow rods whose lower end located at the bottom of the sea is provided with a drilling tool and the upper end located at the surface of the sea is coupled to rotary drive means.
  • This drill string is surrounded in its upper part by an extension tube which extends from the bottom to the surface of the sea to form an annular space.
  • One of the drilling operations consists in drilling a hole at the bottom of the sea using the drilling tool driven by the drill string. During this operation a drilling fluid is injected inside the drill string at its upper part to cool and lubricate the drilling tool.
  • the drilling fluid After passing through the tool, the drilling fluid rises towards the surface of the sea in the annular space formed by the drill string and the extension tube.
  • the drilling fluid also has the role of evacuating the cuttings produced during the drilling of the hole, of maintaining the walls of the hole and of balancing by its own weight the pressure of the fluids contained in the formations traversed in the drilling.
  • the pressure at the bottom of the well exerted by the column of mud is proportional to the density of the mud and to the difference between the height of the ascent of the mud in the annular space and the bottom of the well.
  • the installation used for drilling also comprises pumping means connected to the extension tube below sea level, which suck the drilling fluid into the annular space and discharge it to the surface of the sea in a tank. storage.
  • One method for conducting such an installation consists in measuring the pressure at the bottom of the well by means of a suitable sensor and in regulating this pressure by varying the level of rise of the mud in the annular space.
  • Another control method described in French patent application No. 98 10974 of 02/03/1998, consists in adjusting the pressure at the bottom of the well, from a calculated value of said pressure, by acting on the flow rate of liquid extracted by the pumping means connected to the extension tube.
  • centrifugal pumps or positive displacement pumps driven by electric motors with variable speed For example centrifugal pumps or positive displacement pumps driven by electric motors with variable speed.
  • Centrifugal pumps with fairly narrow optimal operating ranges are poorly suited to variable flow operations in large proportions. They also exhibit operating non-linearities which must be compensated for by complex control systems and which are manifested by variable response times with the operating flow and pressure.
  • the maximum rate of increase of the level of liquid in the annular space is obtained by reducing as much as possible the rate of extraction of drilling liquid, if possible in l 'canceling.
  • This maximum speed is determined for a given well, on the one hand by the flow of drilling liquid injected into the drill string which is itself fixed by the drilling conditions, for example the speed of rotation of the tool, the nature of the formation crossed and on the other hand possibly by the minimum flow rate of the pumping means of the extracted liquid.
  • the means for pumping the extracted liquid must have a large reserve of power which is difficult to obtain with immersed equipment at great depth having a good reliability and at acceptable costs.
  • the object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks and in particular to provide a method and a device for adjusting the level of drilling fluid in an extension tube of a well drilling installation and an installation for producing maintenance operations on existing wells.
  • This method is particularly well suited to the operation of underwater oil production wells, gas or water injection wells, waste injection wells and product storage wells.
  • the present invention proposes a method for adjusting the level of drilling fluid in an extension tube of an installation for drilling a well to an objective value, installation in which said extension tube surrounds a train of hollow rods in which drilling fluid is injected, said drill string and said extension tube defining an annular space into which the drilling fluid rises after passing through a drilling tool mounted at the end of said drill string, said method consisting in extract drilling liquid from the annular space at an adjustable extraction rate and characterized in that it consists in addition of directly introducing into the annular space, drilling liquid at an adjustable introduction rate and act on said extraction rates and until the liquid level in the extension tube reaches the target value.
  • the flow rate Qi of injecting mud into the drill string being determined by the conditions for carrying out the drilling, the flow rate for introducing drilling liquid directly into the annular space is between 0.2.Qi and 4.Q
  • the flow rate Qi of injecting mud into the drill string being determined by the conditions for carrying out the drilling, the flow rate for extracting drilling liquid from the annular space is between 1, 2.Qi and 5.Q
  • the introduction of drilling liquid directly into the annular space consists in pouring drilling liquid into the upper part of said annular space, above the drilling liquid contained in said space .
  • the introduction of drilling liquid directly into the annular space consists in injecting drilling liquid into the part of said annular space containing drilling liquid.
  • the subject of the invention is also a device for adjusting the level of drilling liquid to an objective value in an extension tube of a drilling installation for a well, installation in which said extension tube surrounds a train of hollow rods, means for injecting drilling fluid into said drill string, said drill string and said extension tube defining an annular space into which the drilling fluid rises after passing through a drilling tool mounted at the end of said train rods, said device comprising means for extracting drilling liquid from the annular space at an adjustable extraction rate and being characterized in that it further comprises means for direct introduction into the annular space, of drilling fluid at an adjustable introduction rate, said extraction and introduction means acting on said rates until the level of liquid in the extension tube reaches the va their objective.
  • the flow rate Qi of injecting mud into the drill string being determined by the conditions for carrying out the drilling, the flow rate for introducing drilling liquid directly into the annular space is between 0.2.Qi and 4.QL
  • the flow rate Qi of injecting mud into the drill string being determined by the conditions for carrying out the drilling, the extraction flow rate drilling fluid in the annular space is between 1, 2.Qi and 5.QL
  • the means for direct introduction of drilling liquid into the annular space comprises means for pouring the drilling liquid into the upper part of said annular space, above the drilling liquid contained in said space.
  • the means for directly introducing drilling liquid into the annular space comprise means for injecting the drilling liquid into the part of said annular space containing drilling liquid.
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment according to the description of the invention usable for adjusting the level of drilling liquid in an extension tube of a drilling rig for an underwater oil well, by injecting drilling liquid into said extension tube.
  • FIG. 2 schematically represents a second embodiment in accordance with the description of the invention which can be used to adjust the level of drilling liquid in an extension tube of a drilling installation for an underwater oil well, by pouring liquid from drilling in said extension tube.
  • - Figure 3 shows schematically an installation for drilling a well on land equipped with a device according to the description of the invention usable for adjusting the level of drilling fluid in the extension tube of said installation, by pouring liquid from drilling in said extension tube.
  • FIG. 1 schematically represents a first embodiment of the device of the invention which can be used to adjust a level of drilling liquid in an extension tube of an installation for drilling an oil well underwater.
  • the device of the invention comprises: a train 2 of hollow cylindrical rods provided at its upper end with a head 3 for injecting drilling mud and at its lower end with a drilling tool 4,
  • An extension tube 7 connected to the casing 6, which extends between the bottom 27 and the surface 8 of the sea and surrounds the train 2 with rods, which defines with the latter an annular space 9 and which includes a nozzle 10 of injection located at a depth Hr as well as an extraction connection 11 located at a depth He less than Hr,
  • means for injecting drilling liquid into the drill string 2 comprising a pump 13 for injecting mud into the drill string 2 which has an inlet 14 and an outlet 15,
  • a suction pipe 16 which connects the inlet 14 of the pump 13 for injecting mud into the train 2 of rods, to the tank 12 of mud,
  • a discharge pipe 17 which connects the outlet 15 of the pump 13 for injecting mud into the train 2 of rods, at the injection head 3, through a control valve 18 comprising an input 19 for controlling ,
  • - means for extracting drilling liquid from the annular space 9 comprising a pump 32 for extracting mud from the annular space 9 which has an inlet 33 and an outlet 34,
  • a suction pipe 35 which connects the inlet 33 of the mud extraction pump 32 to the extraction nozzle 11, - a discharge pipe 36 which connects the outlet 34 of the mud extraction pump 32 in the annular space 9, to the mud tank 12, through a valve 37 for controlling the flow of sludge extracted from the annular space 9, comprising an inlet 38 for control and through means 39 for filtering the mud , a sensor 40 for measuring the flow rate of sludge extracted from the annular space 9, which delivers an electrical signal representative of this flow rate to an output 41, means for direct introduction of drilling liquid into the annular space 9 comprising a pump 22 for injecting mud into the annular space 9 which has an inlet 23 and an outlet 24,
  • a suction pipe 25 which connects the inlet 23 of the pump 22 for injecting mud into the annular space 9, to the tank 12 of mud,
  • a discharge pipe 26 which connects the outlet 24 of the pump 22 for injecting mud into the annular space 9, to the injection nozzle 10, through a valve 28 for controlling the flow rate of mud injected into the annular space 9, comprising a control input 29, a sensor 30 for measuring the flow rate of sludge injected directly into the annular space 9, which delivers an electrical signal representative of this flow rate to output 31,
  • a regulation device 44 comprising inputs 45, 46, 47 and 48 respectively connected to outputs 21, 31 and 41 of the flow sensors 20, 30 and 40 and to output 43 of the pressure sensor 42 and outputs 49, 50 and 51 connected respectively to the inputs 19, 29 and 38 of the control valves 18, 28 and 37,
  • the drilling operation of the well 1 at the bottom of the sea consists in making a hole in the formation by means of the tool 4 driven in rotation by the train of stems. During this operation, fresh drilling mud stored in the tank is sucked up by the pump 13 and injected inside the drill string via the injection head.
  • the flow rate Qi of mud to be injected into the drill string is determined by the drilling conditions, in particular the nature of the rocks which constitute the formation crossed, the speed of rotation of the drilling tool 4, the pressure on the drilling tool. drilling by train 2 of rods. This flow rate value is introduced into the device 44 for regulation by an operator by means of the control and display means 52, as a reference value for the flow rate of injected sludge.
  • This flow rate, measured by the sensor 20 is controlled by the set value Qi by the regulating device 44 which delivers on the output 49 an electrical signal representative of the position of the automatic valve 18.
  • the mud injected into the drill string 2 flows from top to bottom and passes through the drilling tool 4 to cool and lubricate it. After passing through the tool, the mud is loaded with the rock cuttings produced by the action of the tool 4 on the formation and rises in the annular space 9 to a level Hl.
  • the pressure at the bottom of the well must be maintained at a value Pm such that the equilibrium with the pressure of the fluids contained in the formation and maintenance of the wall of the hole being produced is simultaneously ensured.
  • This pressure value Pm depends on the nature of the well and varies as the drilling progresses.
  • the flow of mud injected into the train 2 of rods being regulated to the set value Qi, according to the method of the invention is injected into the annular space 9 at the depth Hr a flow Qint of mud by means of the pump 22
  • This flow rate Qint is equal to k.Qi, k being between 0 and 4.
  • the value of k is introduced into the regulation device 44 by an operator by means of the control and display means 52. This value k is used by the regulating device 44 to calculate the flow rate setpoint Qint, and to control the flow rate of directly injected sludge, measured by the sensor 30, at this value by delivering an electrical signal for controlling the valve to the output 50. 28 automatic.
  • the regulating device 44 controls the pressure measured in the annular space 9 by means of the sensor 42 to a pressure reference value calculated by applying the following formula:
  • Pc represents the pressure in the annular space 9 measured by the sensor 42
  • Db represents the density of the mud
  • g represents the terrestrial acceleration
  • Hm represents the height to which the mud goes up in the annular space 9 measured from the bottom of the well
  • Hf represents the depth of the well measured from the surface 8 of the sea
  • Hp represents the depth at which the pressure sensor 42 is installed, measured from the surface 8 of the sea. and by delivering to the output 51 an electrical signal for controlling the position of the automatic valve 37.
  • the set point Hm of mud level in the annular space is modified either automatically or by an operator which has the effect of very quickly bringing the flow of mud extracted to a zero value.
  • the maximum speed of rise of the level of mud in the annular space can be easily obtained instantaneously, by stopping the flow of mud extraction by closing the automatic valve 37 and / or by stopping the pump 32 of mud extraction. .
  • the operator can stop the pump 22 for injecting mud into the space 9 annular and / or close the valve 28 for injecting mud into the annular space, then instantly the difference between the mud extraction flow rate and the flow of mud injected into the extension tube 7 is equal to [(k + 1 ) .Qi - Qi] or k.Qi.
  • FIG. 2 schematically represents a second embodiment of the device of the invention which can be used to regulate a level of drilling liquid in an extension tube 7 of a drilling installation for an underwater oil well, which comprises the same elements as the device according to the first embodiment shown in the figure, except the pipe 26, the end of which is no longer connected to the tap 10, but opens into the upper part of the space annular 9 above the mud level, in order to allow the pouring of drilling mud into this part of the annular space 9.
  • the underwater mud extraction equipment operates in a narrow flow range, it can therefore be of a robust, reliable type, optimized for each drilling and controllable by simple control means.
  • FIG. 3 schematically represents an installation for drilling an onshore oil well, which comprises an aerial extension tube 7 which extends the casing 6 and a device for adjusting the level of drilling liquid in this extension tube which comprises the same elements as the device according to the second embodiment of the invention shown in FIG. 2.

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Abstract

Méthode et dispositif de réglage à une valeur objectif du niveau de liquide de forage dans un tube (7) prolongateur d'une installation de forage d'un puits (1), installation dans laquelle ledit tube (7) prolongateur entoure un train (2) de tiges creux dans lequel est injecté du liquide de forage, ledit train (2) de tiges et ledit tube (7) prolongateur définissant un espace (9) annulaire dans lequel remonte le liquide de forage après passage au travers d'un outil (4) de forage monté à l'extrémité dudit train (2) de tiges, ladite méthode consistant à extraire du liquide de forage de l'espace (9) annulaire à un débit d'extraction réglable et se caractérisant en ce qu'elle consiste en plus à introduire directement dans l'espace (9) annulaire, du liquide de forage à un débit d'introduction réglable et agir sur lesdits débits d'extraction et d'introduction jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le tube (7) prolongateur atteigne la valeur objectif. Elle trouve son application, notamment dans l'industrie pétrolière, pour conduire des installations de forage de puits à terre ou en mer.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR REGLER A UNE VALEUR DE CONSIGNE LE NIVEAU DU FLUIDE DE FORAGE DANS LE TUBE PROLONGATEUR
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la conduite d'installations utilisées pour forer des puits à terre ou en mer et d'installations pour réaliser des opérations de maintenance sur des puits existants.
Elle trouve son application, notamment dans l'industrie pétrolière, pour conduire des installations de forage de puits de natures très diverses, tels que des puits de production d'hydrocarbures liquides ou gazeux à terre ou en mer, des puits d'injection de gaz ou d'eau, des puits de d'injection de déchets, des puits de stockages de produits ainsi que pour conduire des installations de maintenance de ces mêmes puits.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Une installation utilisée pour le forage de puits sous-marins pour la production d'hydrocarbures par grands fonds, du type de celle décrite dans le document NPF Deepwater Conférence, 21-22 April 1998, Rica Hôtel, Kristiansund
Stavanger NORWAY, intitulée "New concepts for improved well control", comporte un train de tiges creux dont l'extrémité inférieure située au fond de la mer est munie d'un outil de forage et l'extrémité supérieure située à la surface de la mer est accouplée à des moyens d'entraînement en rotation. Ce train de tiges est entouré dans sa partie supérieure par un tube prolongateur qui s'étend du fond à la surface de la mer pour former un espace annulaire.
Une des opérations de forage consiste à percer un trou au fond de la mer au moyen de l'outil de forage entraîné par le train de tiges. Pendant cette opération un fluide de forage est injecté à l'intérieur du train de tiges à sa partie supérieure pour refroidir et lubrifier l'outil de forage.
Après passage à travers l'outil le fluide de forage remonte vers la surface de la mer dans l'espace annulaire formé par le train de tiges et le tube prolongateur. Le fluide de forage a aussi pour rôle d'évacuer les déblais produits au cours du perçage du trou, de maintenir les parois du trou et d'équilibrer par son propre poids la pression des fluides contenus dans les formations traversées dans le forage. La pression en fond de puits exercée par la colonne de boue est proportionnelle à la densité de la boue et à la différence entre la hauteur de remontée de la boue dans l'espace annulaire et le fond du puits.
On peut donc faire varier ces deux paramètres pour ajuster la pression en fond de puits. L'installation utilisée pour le forage comporte en plus, des moyens de pompage raccordés au tube prolongateur en dessous du niveau de la mer, qui aspirent le fluide de forage dans l'espace annulaire et le refoulent à la surface de la mer dans un réservoir de stockage.
Une méthode pour conduire une telle installation consiste à mesurer la pression en fond de puits au moyen d'un capteur adapté et à régler cette pression en faisant varier le niveau de remontée de la boue dans l'espace annulaire.
Une autre méthode de conduite décrite dans la demande de brevet française n° 98 10974 du 02/09/1998, consiste à régler la pression en fond de puits, à partir d'une valeur calculée de ladite pression, en agissant sur le débit de liquide extrait par les moyens de pompage raccordés au tube prolongateur.
Pour mettre en oeuvre ces deux méthodes il est nécessaire de disposer de moyens de pompage à débit variable capables de fonctionner en immersion par grande profondeur.
Par exemple des pompes centrifuges ou des pompes volumétriques entraînées par des moteurs électriques à vitesse variable.
Les pompes centrifuges ayant des plages optimales de fonctionnement assez étroites sont mal adaptées à des fonctionnements à débits variables dans de grandes proportions. Elle présentent aussi des non linéarités de fonctionnement qui doivent être compensées par des systèmes de contrôle complexes et qui se manifestent par des temps de réponse variables avec le débit et la pression de fonctionnement.
Dans les deux cas la fiabilité des moteurs électriques est insuffisante pour assurer un service économiquement satisfaisant dans les conditions de maintenance très difficiles qui sont celles des forages de puits sous-marins par grande profondeur. L'entraînement des pompes par des turbines à eau présente des inconvénients similaires.
Dans certaines conditions de forage, telles que celles qui résultent de venues de fluides de formation dans le puits en cours de forage, il est nécessaire de faire varier le plus rapidement possible le niveau de liquide dans l'espace annulaire. Avec le type d'installations conduites selon les méthodes décrites ci- dessus la vitesse maximale d'augmentation du niveau de liquide dans l'espace annulaire est obtenue en réduisant le plus possible le débit d'extraction de liquide de forage, si possible en l'annulant. Cette vitesse maximale est déterminée pour un puits donné, d'une part par le débit de liquide de forage injecté dans le train de tiges qui est lui même fixé par les conditions de forage, par exemple la vitesse de rotation de l'outils, la nature de la formation traversée et d'autre part éventuellement par le débit minimal des moyens de pompage du liquide extrait.
Dans les situations dans lesquelles il nécessaire de faire baisser rapidement le niveau de liquide de forage dans l'espace annulaire les moyens de pompage du liquide extrait doivent disposer d'une réserve de puissance importante difficile à obtenir avec des équipements immergés par grande profondeur présentant une bonne fiabilité et à des coûts acceptables.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention a justement pour objet de remédier à ces inconvénients et notamment de fournir une méthode et un dispositif de réglage du niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits et d'une installation pour réaliser des opérations de maintenance sur des puits existants.
Cette méthode est particulièrement bien adaptée à la conduite des puits sous marins de production d'hydrocarbures, des puits d'injection de gaz ou d'eau, des puits de d'injection de déchets et des puits de stockages de produits.
Elle s'applique aussi à la conduite des puits à terre, moyennant l'installation d'un tube prolongateur aérien équivalent du tube prolongateur des puits sous-marins.
A cette fin la présente invention propose une méthode de réglage à une valeur objectif du niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits, installation dans laquelle ledit tube prolongateur entoure un train de tiges creux dans lequel est injecté du liquide de forage, ledit train de tiges et ledit tube prolongateur définissant un espace annulaire dans lequel remonte le liquide de forage après passage au travers d'un outil de forage monté à l'extrémité dudit train de tiges, ladite méthode consistant à extraire du liquide de forage de l'espace annulaire à un débit d'extraction réglable et se caractérisant en ce qu'elle consiste en plus à introduire directement dans l'espace annulaire, du liquide de forage à un débit d'introduction réglable et agir sur lesdits débits d'extraction et d'introduction jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le tube prolongateur atteigne la valeur objectif.
Selon une autre caractéristique de la méthode de l'invention, le débit Qi d'injection de boue dans le train de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'introduction de liquide de forage directement dans l'espace annulaire est compris entre 0,2.Qi et 4.Q
Selon une autre caractéristique de la méthode de l'invention, le débit Qi d'injection de boue dans le train de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'extraction de liquide de forage de l'espace annulaire est compris entre 1 ,2.Qi et 5.Q
Selon une autre caractéristique de la méthode de l'invention, l'introduction de liquide de forage directement dans l'espace annulaire consiste à déverser du liquide de forage dans la partie supérieure dudit espace annulaire, au dessus du liquide de forage contenu dans ledit espace. Selon une autre caractéristique de la méthode de l'invention, l'introduction de liquide de forage directement dans l'espace annulaire consiste à injecter du liquide de forage dans la partie dudit espace annulaire contenant du liquide de forage.
L'invention a aussi pour objet un dispositif de réglage à une valeur objectif du niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits, installation dans laquelle ledit tube prolongateur entoure un train de tiges creux, des moyens d'injection du liquide de forage dans ledit train de tiges, ledit train de tiges et ledit tube prolongateur définissant un espace annulaire dans lequel remonte le liquide de forage après passage au travers d'un outil de forage monté à l'extrémité dudit train de tiges, ledit dispositif comprenant des moyens d'extraction du liquide de forage de l'espace annulaire à un débit d'extraction réglable et se caractérisant en ce qu'il comprend en plus des moyens d'introduction directe dans l'espace annulaire, de liquide de forage à un débit d'introduction réglable, lesdits moyens d'extraction et d'introduction agissant sur lesdits débits jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le tube prolongateur atteigne la valeur objectif.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, le débit Qi d'injection de boue dans le train de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'introduction de liquide de forage directement dans l'espace annulaire est compris entre 0,2.Qi et 4.QL Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, le débit Qi d'injection de boue dans le train de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'extraction de liquide de forage de l'espace annulaire est compris entre 1 ,2.Qi et 5.QL Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, les moyens d'introduction directe de liquide de forage dans l'espace annulaire comportent des moyens de déversement du liquide de forage dans la partie supérieure dudit espace annulaire, au dessus du liquide de forage contenu dans ledit espace.
Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, les moyens d'introduction directe de liquide de forage dans l'espace annulaire comportent des moyens d'injection du liquide de forage dans la partie dudit espace annulaire contenant du liquide de forage.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation conforme au descriptif de l'invention utilisable pour régler le niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits pétrolier sous marin, par injection de liquide de forage dans ledit tube prolongateur. - la figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation conforme au descriptif de l'invention utilisable pour régler le niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits pétrolier sous marin, par déversement de liquide de forage dans ledit tube prolongateur. - la figure 3 représente schématiquement une installation de forage d'un puits à terre équipée d'un dispositif conforme au descriptif de l'invention utilisable pour régler le niveau de liquide de forage dans le tube prolongateur de ladite installation, par déversement de liquide de forage dans ledit tube prolongateur.
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention utilisable pour régler un niveau de liquide de forage dans un tube prolongateur d'une installation de forage d'un puits pétrolier sous marin.
La description de ce dispositif et son mode de fonctionnement permettront de mieux comprendre la méthode de l'invention.
Selon ce premier mode de réalisation le dispositif de l'invention comporte : - un train 2 de tiges cylindrique creux muni à son extrémité supérieure d'une tête 3 d'injection de boue de forage et à son extrémité inférieure d'un outil 4 de forage,
- des moyens 5 mécaniques d'entraînement en rotation du train 2 de tiges, - un cuvelage 6 qui recouvre la partie supérieure de la paroi du puits 1 pour le consolider,
- un tube 7 prolongateur relié au cuvelage 6, qui s'étend entre le fond 27 et la surface 8 de la mer et entoure le train 2 de tiges, qui définit avec ce dernier un espace 9 annulaire et qui comporte un piquage 10 d'injection situé à une profondeur Hr ainsi qu'un piquage 11 d'extraction situé à une profondeur He inférieure à Hr,
- un bac 12 de boue de forage qui constitue le liquide de forage,
- des moyens d'injection de liquide de forage dans le train 2 de tiges, comprenant une pompe 13 d'injection de boue dans le train 2 de tiges qui comporte une entrée 14 et une sortie 15,
- une canalisation 16 d'aspiration qui relie l'entrée 14 de la pompe 13 d'injection de boue dans le train 2 de tiges, au bac 12 de boue,
- une canalisation 17 de refoulement qui relie la sortie 15 de la pompe 13 d'injection de boue dans le train 2 de tiges, à la tête 3 d'injection, au travers d'une vanne 18 de contrôle comportant une entrée 19 de commande,
- un capteur 20 de mesure du débit de boue injectée dans le train 2 de tiges, qui délivre sur une sortie 21 un signal électrique représentatif de ce débit, - des moyens d'extraction de liquide de forage de l'espace 9 annulaire, comprenant une pompe 32 d'extraction de boue de l'espace 9 annulaire qui comporte une entrée 33 et une sortie 34,
- une canalisation 35 d'aspiration qui relie l'entrée 33 de la pompe 32 d'extraction de boue au piquage 11 d'extraction, - une canalisation 36 de refoulement qui relie la sortie 34 de la pompe 32 d'extraction de boue dans l'espace 9 annulaire, au bac 12 de boue, au travers d'une vanne 37 de contrôle du débit de boue extraite de l'espace 9 annulaire, comportant une entrée 38 de commande et au travers de moyens 39 de filtration de la boue, - un capteur 40 de mesure du débit de boue extraite de l'espace 9 annulaire, qui délivre sur une sortie 41 un signal électrique représentatif de ce débit, - des moyens d'introduction directe de liquide de forage dans l'espace 9 annulaire comprenant une pompe 22 d'injection de boue dans l'espace 9 annulaire qui comporte une entrée 23 et une sortie 24,
- une canalisation 25 d'aspiration qui relie l'entrée 23 de la pompe 22 d'injection de boue dans l'espace 9 annulaire, au bac 12 de boue,
- une canalisation 26 de refoulement qui relie la sortie 24 de la pompe 22 d'injection de boue dans l'espace 9 annulaire, au piquage 10 d'injection, au travers d'une vanne 28 de contrôle du débit de boue injectée dans l'espace 9 annulaire, comportant une entrée 29 de commande, - un capteur 30 de mesure du débit de boue injectée directement dans l'espace 9 annulaire, qui délivre sur une sortie 31 un signal électrique représentatif de ce débit,
- un capteur 42 de mesure de la pression dans l'espace 9 annulaire à une profondeur Hp comprise entre Hr et He, qui fournit sur une sortie 43 un signal électrique représentatif de cette pression et de la hauteur à laquelle la boue remonte dans l'espace annulaire pour une qualité de boue de densité donnée,
- un dispositif 44 de régulation comportant des entrées 45, 46, 47 et 48 respectivement reliées aux sorties 21 , 31 et 41 des capteurs 20, 30 et 40 de débit et à la sortie 43 du capteur 42 de pression et des sorties 49, 50 et 51 reliées respectivement aux entrées 19, 29 et 38 des vannes 18, 28 et 37 de contrôle,
- des moyens 52 de commande et de visualisation reliés au dispositif 44 de régulation, L'opération de forage du puits 1 au fond de la mer consiste à pratiquer un trou dans la formation au moyen de l'outil 4 entraîné en rotation par le train de tiges. Au cours de cette opération de la boue de forage fraîche stockée dans le bac est aspirée par la pompe 13 et injectée à l'intérieur du train de tiges par l'intermédiaire de la tête d'injection. Le débit Qi de boue à injecter dans le train de tiges est déterminé par les conditions de forage, notamment la nature des roches qui constituent la formation traversée, la vitesse de rotation de l'outil 4 de forage, la pression sur l'outil de forage exercée par le train 2 de tiges. Cette valeur de débit est introduite dans le dispositif 44 de régulation par un opérateur par l'intermédiaire des moyens 52 de commande et de visualisation, comme valeur de consigne du débit de boue injectée. Ce débit, mesuré par le capteur 20 est asservi à la valeur de consigne Qi par le dispositif 44 de régulation qui délivre sur la sortie 49 un signal électrique représentatif de la position de la vanne 18 automatique. La boue injectée dans le train 2 de tiges circule du haut vers le bas et traverse l'outil 4 de forage pour le refroidir et le lubrifier. Après passage au travers de l'outil la boue se charge avec les déblais de roches produits par l'action de l'outil 4 sur la formation et remonte dans l'espace 9 annulaire jusqu'à un niveau Hl. Au cours du forage la pression en fond de puits doit être maintenue à une valeur Pm telle que soient assurés simultanément l'équilibre avec la pression des fluides contenus dans la formation et le maintien de la paroi du trou en cours de réalisation.
Cette valeur Pm de pression dépend de la nature du puits et varie au fur et à mesure de l'avancement du forage.
Pour obtenir la pression Pm en fond de puits, avec une boue de densité Db donnée, le niveau de liquide dans l'espace annulaire doit être réglé à une valeur Hm de consigne telle que Pm = Db.g.Hm, g étant l'accélération terrestre.
Le débit de boue injectée dans le train 2 de tiges étant régulé à la valeur de consigne Qi, selon la méthode de l'invention on injecte dans l'espace 9 annulaire à la profondeur Hr un débit Qint de boue au moyen de la pompe 22. Ce débit Qint est égal à k.Qi, k étant compris entre 0 et 4. La valeur de k est introduite dans le dispositif 44 de régulation par un opérateur par l'intermédiaire des moyens 52 de commande et de visualisation. Cette valeur k est utilisée par le dispositif 44 de régulation pour calculer la consigne de débit Qint, et asservir le débit de boue injectée directement, mesuré par le capteur 30 à cette valeur en délivrant sur la sortie 50 un signal électrique de commande de la vanne 28 automatique.
Pour maintenir à la valeur Hm de consigne du niveau de boue dans l'espace 9 annulaire, le dispositif 44 de régulation asservit la pression mesurée dans l'espace 9 annulaire au moyen du capteur 42 à une valeur de consigne de pression calculée en appliquant la formule suivante :
Pc = Db.g.[Hm - (Hf - Hp)]
Dans laquelle :
Pc représente la pression dans l'espace 9 annulaire mesurée par le capteur 42,
Db représente la densité de la boue, g représente l'accélération terrestre
Hm représente la hauteur à laquelle remonte la boue dans l'espace 9 annulaire mesurée à partir du fond du puits, Hf représente la profondeur du puits mesurée à partir de la surface 8 de la mer,
Hp représente la profondeur à laquelle est installé le capteur 42 de pression, mesurée à partir de la surface 8 de la mer. et en délivrant sur la sortie 51 un signal électrique de commande de la position de la vanne 37 automatique.
L'augmentation de volume du puits, résultant de l'avancement de l'outil dans la formation étant négligeable devant le volume de boue en circulation, en régime stable, le débit Qext d'extraction de boue de l'espace annulaire est sensiblement égal à la somme des débits injectés d'une part à l'intérieur du train 2 de tiges et d'autre part directement dans l'espace 9 annulaire soit Qext = Qi + k.Qi soit Qext = (k + 1)Qi.
Lorsqu'il est nécessaire, pour des questions d'exploitation, par exemple lors d'une venue de gaz de formation dans le puits, d'augmenter très rapidement le niveau de boue dans l'espace 9 annulaire pour compenser la diminution de pression en fond de puits consécutive à cette venue, la valeur de consigne Hm de niveau de boue dans l'espace annulaire est modifiée soit automatiquement soit par un opérateur ce qui a pour effet d'amener très rapidement le débit de boue extraite à une valeur nulle.
Dans cette situation le débit Qi de boue injectée dans le train de tige et le débit kQi de boue injectée directement dans l'espace 9 annulaire s'ajoutent pour faire monter le niveau dans l'espace 9 annulaire.
Le débit de boue extraite étant nul, la vitesse de montée du niveau dans l'espace annulaire est proportionnelle au débit total de boue injectée. Ainsi grâce à l'invention cette vitesse est (k+1) fois plus élevée que celle obtenue avec les méthodes connues avant l'invention.
De plus la vitesse maximale de montée du niveau de boue dans l'espace annulaire peut être facilement obtenue instantanément, en arrêtant le débit d'extraction de boue en fermant la vanne 37 automatique et / ou en arrêtant la pompe 32 d'extraction de boue.
Lorsqu'il est nécessaire de faire baisser rapidement le niveau de boue dans l'espace 9 annulaire, par exemple en cas fuite de boue dans la formation traversée, l'opérateur peut arrêter la pompe 22 d'injection de boue dans l'espace 9 annulaire et/ou fermer la vanne 28 d'injection de boue dans l'espace annulaire, alors instantanément la différence entre le débit d'extraction de boue et le débit de boue injectée dans le tube 7 prolongateur est égale à [(k + 1).Qi - Qi] soit k.Qi.
La figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation du dispositif de l'invention utilisable pour régler un niveau de liquide de forage dans un tube 7 prolongateur d'une installation de forage d'un puits pétrolier sous marin, qui comporte les mêmes éléments que le dispositif selon le premier mode de réalisation représenté figurel , sauf la canalisation 26 dont l'extrémité n'est plus raccordée au piquage 10, mais débouche dans la partie supérieure de l'espace annulaire 9 au dessus du niveau de boue, afin de permettre le déversement de boue de forage dans cette partie de l'espace 9 annulaire.
Grâce à l'invention, l'équipement sous-marin d'extraction de boue fonctionne dans une plage étroite de débit, il peut donc être d'un type robuste, fiable, optimisé pour chaque forage et contrôlable par des moyens de contrôle simples.
La figure 3 représente schématiquement une installation de forage d'un puits pétrolier à terre, qui comporte un tube 7 prolongateur aérien qui prolonge le cuvelage 6 et un dispositif de réglage du niveau de liquide de forage dans ce tube prolongateur qui comprend les mêmes éléments que le dispositif selon le deuxième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2.
Grâce à l'invention, pour ce type de puits il est possible d'agir très rapidement sur le niveau du liquide de forage pour régler la pression en fond de puits, sans modifier la densité du liquide de forage.

Claims

REVENDICATIONS
- Méthode de réglage à une valeur objectif du niveau de liquide de forage dans un tube (7) prolongateur d'une installation de forage d'un puits, installation dans laquelle ledit tube (7) prolongateur entoure un train (2) de tiges creux dans lequel est injecté du liquide de forage, ledit train (2) de tiges et ledit tube (7) prolongateur définissant un espace (9) annulaire dans lequel remonte le liquide de forage après passage au travers d'un outil de forage monté à l'extrémité dudit train (2) de tiges, ladite méthode consistant à extraire du liquide de forage de l'espace (9) annulaire à un débit d'extraction réglable et se caractérisant en ce qu'elle consiste en plus à introduire directement dans l'espace (9) annulaire, du liquide de forage à un débit d'introduction réglable et agir sur lesdits débits d'extraction et d'introduction jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le tube (7) prolongateur atteigne la valeur objectif. - Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le débit Qi d'injection de boue dans le train (2) de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'introduction de liquide de forage directement dans l'espace (9) annulaire est compris entre 0,2. Qi et 4.Qi. - Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le débit Qi d'injection de boue dans le train (2) de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'extraction de liquide de forage de l'espace (9) annulaire est compris entre 1 ,2.Qi et 5.QL - Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'introduction de liquide de forage directement dans l'espace (9) annulaire consiste à déverser du liquide de forage dans la partie supérieure dudit espace (9) annulaire, au dessus du liquide de forage contenu dans ledit espace. - Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'introduction de liquide de forage directement dans l'espace (9) annulaire consiste à injecter du liquide de forage dans la partie dudit espace (9) annulaire contenant du liquide de forage. - Dispositif de réglage à une valeur objectif du niveau de liquide de forage dans un tube (7) prolongateur d'une installation de forage d'un puits, installation dans laquelle ledit tube (7) prolongateur entoure un train (2) de tiges creux, des moyens d'injection du liquide de forage dans ledit train (2) de tiges, ledit train (2) de tiges et ledit tube (7) prolongateur définissant un espace (9) annulaire dans lequel remonte le liquide de forage après passage au travers d'un outil de forage monté à l'extrémité dudit train (2) de tiges, ledit dispositif comprenant des moyens d'extraction du liquide de forage de l'espace (9) annulaire à un débit d'extraction réglable et se caractérisant en ce qu'il comprend en plus des moyens d'introduction directe dans l'espace (9) annulaire, de liquide de forage à un débit d'introduction réglable, lesdits moyens d'extraction et d'introduction agissant sur lesdits débits jusqu'à ce que le niveau de liquide dans le tube (7) prolongateur atteigne la valeur objectif. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le débit Qi d'injection de boue dans le train (2) de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'introduction de liquide de forage directement dans l'espace (9) annulaire est compris entre 0,2. Qi et 4.Q - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le débit Qi d'injection de boue dans le train (2) de tiges étant déterminé par les conditions de réalisation du forage, le débit d'extraction de liquide de forage de l'espace (9) annulaire est compris entre 1 ,2.Qi et 5.QL - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'introduction directe de liquide de forage dans l'espace (9) annulaire comportent des moyens de déversement du liquide de forage dans la partie supérieure dudit espace (9) annulaire, au dessus du liquide de forage contenu dans ledit espace. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'introduction directe de liquide de forage dans l'espace (9) annulaire comportent des moyens d'injection du liquide de forage dans la partie dudit espace (9) annulaire contenant du liquide de forage.
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