cimentation des puits horizontaux

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PROGRAMMATION ET REALISATION D'UN PUITS HORIZONTAL

1. INTRODUCTION 2

2. PROBLEMES DE TROU 2

2.1 Géométrie du trou 2

2.2 Conséquences d'une mauvaise géométrie 3

2.3 Amélioration de la géométrie du trou 4

3. PROPRIETES de la boue de forage 5

4. CENTRALISATION DU CASING 5

4.1 Géométrie de l’annulaire 6

4.2 Casing stand off 7

4.3 Centreurs 10

5. RAPPEL SUR LES MECANISMES DE DEPLACEMENT DE LA BOUE 18

5.1 Régime laminaire 18

5.2 Régime turbulent 20

6. CIMENTATION 21

6.1 Design du laitier 21

6.2 wash & spacers 23

6.3 Déplacement de la boue 24

6.4 Mouvements du casing 26

6.5 Mise en place du laitier 29

7. POSE DE BOUCHON DE CIMENT DANS UN DECOUVERT HORIZONTAL /FORTEMENT INCLINE 31


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1. INTRODUCTION

our préparer une cimentation, il faut avoir le maximum d’information sur l’état du puits et l’historique du forage. En particulier

• la coupe lithologique, • les mesures de déviation • la température statique du puits et une bonne estimation de la

température de circulation, • les caractéristiques et type de boue, • la cote et le gradient de fracturation, • la cote et la pression de pore.

Le succès d'une cimentation dans un puits horizontal ou fortement dévié est tributaire d'un ensemble de facteurs interdépendants :

• géométrie du trou, • propriétés de la boue de forage, • centralisation du casing, • composition (design) du laitier de ciment, • déplacement effectif de la boue, • préparation et exécution des opérations de cimentation.

Plus encore que pour un puits ordinaire, le succès de ce type de cimentation requiert une attention particulière aux moindres détails, ce qui impose une étroite collaboration entre l'opérateur et la compagnie de services à tous les stades.

2. PROBLEMES DE TROU

2.1 Géométrie du trou

La géométrie du trou est un facteur critique pour le succès de la cimentation.

� les accidents de géométrie de trou (figure : 1) sont les suivants :

� dog legs et zigzag dus à des changements des caractéristiques mécaniques des roches ou de pendage des formations;

� trou en spirale dû au travail naturellement excentrique des tricônes et au

flambage hélicoïdal des tiges;

� key seats créés par le frottement des tiges sur la génératrice inférieure du trou;

� ovalité due à l'anisotropie de la roche et des contraintes auxquelles elle

est soumise;

� élargissement du trou pouvant résulter de (a) l'action chimique de la boue, (b) sa vélocité annulaire dans des formations peu consolidées, (c) du comportement de la garniture avec son moteur stabilisé (bent housing ? bent sub ?).

P


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� un trou non calibré (élargi) et une géométrie non circulaire contribuent au non alignement (offset) du casing par rapport au trou.

� un lit de cuttings accumulé sur la génératrice inférieure du puits augmente

encore l'excentration du casing.

� on réduira les key seats en éliminant les dog legs par (a) reaming et back reaming, (b) en faisant tourner le train de forage avec le moteur de fond à 15-20 rpm.

2.2 Conséquences d'une mauvaise géométrie

Une mauvaise géométrie affecte chaque aspect de la cimentation et de la complétion d'un puits horizontal.

� mauvais transport des cuttings et mauvais nettoyage

� les variations de diamètre du puits entraînent des variations de vitesse

annulaire pouvant conduire au maintien en suspension de solides au même endroit, à leur sédimentation, à la formation de poches de boue.

� casing excentré : impossibilité de centrer un casing dans un puits de

géométrie irrégulière.

� inefficacité des ECP (external casing packers) mis en place ,les ECP ne peuvent faire étanchéité dans des trous asymétriques et surdimensionnés.

� difficulté d’interprétation des logs.

� instabilité des parois du puits pendant la phase de production.


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Dog leg spirale zigzag

excentricité casing / trou lit de cuttings

boue gelée

Key seat trou elliptique - wash out (figure 1) - accidents de géométrie du trou faisant obstacle à la cimentation

2.3 Amélioration de la géométrie du trou On peut faire beaucoup en forage pour contrôler la forme et la dimension du trou. 1. emploi de boue à l'huile

Quand elle est possible, l'utilisation de boue à l'huile améliore la géométrie du trou (meilleur calibrage), diminue les frottements important et résistance bien une charge élevée de cuttings.

2. emploi de gilsonite

La gilsonite (type d’asphalte d = 1.07) réduit le collapse des formations argileuses et donc les risques élargissement en se gonflant à l’intérieur des pores, fissures, plans de stratification, minimisant la filtration dans les argiles, renforçant le mud cake contre l’érosion. de plus elle réduit le torque et les frottements.

3. éviter les variations importantes du taux de build up. 4. optimiser la rhéologie de la boue.

5. contrôler les paramètres de forage


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3. PROPRIETES de la boue de forage

� les propriétés du fluide de forage ont un impact direct sur :

• la stabilité du trou, • le transport des cuttings, • l’interprétation des logs en trou ouvert (open hole logging), • l’intégrité de l'enveloppe de ciment.

� le nettoyage du trou est essentiel en vue de la cimentation. un mauvais transport des cuttings résultera en :

• l’incapacité à descendre le tubage à la cote voulue, • la constitution d'une couche de solides dans l'enveloppe de ciment, • des valeurs excessives de torque et frottements.

� la rhéologie de la boue avant la cimentation est déterminante pour l’efficacité de son déplacement par le laitier.

4. CENTRALISATION DU CASING

Une bonne cimentation doit répondre à deux fonctions :

1. renforcer les propriétés mécaniques du tubage

2. assurer une étanchéité hydraulique contre les mouvements de

fluide pou gazeux.

ces deux fonctions ne peuvent être remplies que si le ciment à une résistance appropriée et le gaine de ciment est assez épaisse pour résister aux forces appliquées.

Pour éviter la migration des fluides derrière le tubage, il faut avoir une bonne adhésion, terrain ciment et tubage ciment, pour cela il faut que le tubage soit centré dans le puits.

Pour obtenir ce cas de figure, il faut avoir un puits très bien calibré ou utiliser des centreurs et parfois il les deux comme les puits fortement déviés ou horizontaux.

Comment obtenir un centrage ? :

En utilisant des centreurs adaptés et en les plaçant judicieusement sur la colonne de tubage.

Selon l’API10


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Starting force /poussée initiale

C’est la force maximum nécessaire pour engager le centreur dans le casing (ib ou n, kgf)

Restoring force/ force de rappel

C’est la force minimum nécessaire pour maintenir le casing des 2/3 ou + des parois du puits (Lb ou n, kgf) C’est la force qui s’exerce perpendiculairement à l’axe du puits.

Moving force/force de déplacement

C’est la force de frottement exercer par le centreur sur la paroi du puits pendant la descente (ib ou n, kgf).

4.1 Géométrie de l’annulaire Les forces de frottement existent sur les plans de contact entre la boue et le puits, et entre la boue et le tubage. Si la géométrie de l’annulaire est telle que le tubage n’est pas centré, ces forces seront distribuées irrégulièrement dans l’annulaire. Les tensions de gel contribuent à l’effet de frottement. le mouvement améliore la situation en obligeant la boue à se déplacer de l’endroit le plus étroit à l’endroit le plus large.Les forces de frottement contribuent à l’érosion de la boue par le ciment si le temps de contact du ciment est assez long. Lorsque le tubage n’est pas centré, la force de frottement n’est pas uniforme le long de l’annulaire.La différence augmente avec l’excentrement du tubage accroissant la probabilité de cheminement à travers la boue le long du côté étroit de l’annulaire. Un indicateur du degré d’excentre ment est exprimé en pourcentage de la distance entre le tubage et le trou (standoff).les études ont monté que ce pourcentage de l’excentre ment augmente la vitesse nécessaire pour avoir un déplacement de boue du coté etroit de l’annulaire. Ce digramme (fig 2) montre comment l’excentricité affecte la vitesse le long du côté étroit de l’annulaire pour toute une gamme de débits et ce, pour un fluide et un puits spécifique.


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(figure 2 ) - relation entre centralisation du tubage et profil de vitesse annulaire

4.2 Casing stand off

le stand off est le rapport entre l’espace annulaire minimum (parois/casing) et l’espace annulaire nominal (casing/rayon de courbure du puits).

++

R1

R2

Wn

%S = Wn x 100 / R2- R1

R1 = RAYON DU TROU EN POUCE R2 = RAYON EXTERIEUR TUBE EN POUCE Wn = ESPACEMENT MINI TROU/TUBE EN POUCE


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L’espace minimum est au milieu de la boucle entre deux centreurs, ou le déport total est égal à la somme :

� du déport au centreur (du à la force de compression δ c

� du déport des tubes sous l’effet de leur propre poids et du rayon de courbure δ m

Dh = diamètre du trou ou id casing en m De = diamètre extérieur du casing en m δ m = flambage au centreur en m δ c = flambage au milieu des centreurs en m s = stand off en % Un stand off de rapport 1 signifie que le tubage est parfaitement centré dans le puits (Le manchon n’est pas pris en considération).

Un stand off de rapport 0,67 signifie que le tubage est excentré de 1/3 dans le trou (Le manchon n’est pas pis en considération).

Après avoir vu la nécessité d’un bon centrage de la colonne de tubage et les équipements devant nous permettre d’obtenir le meilleur stand off possible, il faut se poser la question

S = 100 (1 - 2δ δm + c

Dh - De

)

2/3 1/3


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Comment réaliser un bon centrage de colonne ?

De nombreux modèles de placement des centreurs ont été faits, tous ont comme point de départ les formues données par l’API 10 d. prenant en compte les paramètres suivants :

� le poids de la colonne et la répartition des forces en fonctions de l’inclinaison,

� la densité de la boue pour le coefficient de flottabilité,

� le dog leg severity,

� le poids du tronçon de la colonne sous le top du centreur (pipe sag),

� le poids du ou des tubes entre deux centreurs (spacing),

� la capacité du centreur à pousser le tube vers le centre du trou (restoring

force),

� le facteur de frottement dépendant du type de fluide utilisé.

Friction factor puits dévié et verticaux

TROU TUBE TROU OUVERT PLAIN

WATER TREATED

MUD ADDITIVES

OIL PLAIN

INVERT TREATED

MUD ADDITIVES

0 0, 0, 0, 0,COEFFICIENT DECOEFFICIENT DECOEFFICIENT DECOEFFICIENT DE FRICTION FRICTION FRICTION FRICTION

90 80 70 60 50


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4.3 Centreurs

Le centrage d’une colonne est élément déterminant pour l’obtention d’une bonne cimentation, on doit placer les centreurs :

� au droit des zones à cimenter,

� au droit des dog-legs,

� de part et d’autre des caves

� dans les zones à risques de blocage ou pertes.

Dans un puits horizontal ou très dévié, la valeur minimale du stand off est obtenue au point équidistant entre 2 centreurs.

� dans un puits horizontal ou très dévié, la valeur minimale du stan doff est

obtenue au point équidistant entre 2 centreurs.

� les 3 types de centreurs existants (flexibles, rigides, solid rigid slip-on) peuvent donner de bons résultats (figure .4).

� si on veut cimenter en rotation, les centreurs doivent être munis d'une

chemise à roulements (bushing, bearing sleeve) permettant au casing de tourner librement sans torque ni frottements excessifs.


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Habillage d’une colonne

Stage cementer collar = D V

Baffle collar

D F U

Sabot

Type positive non weld, dénommé P O (de 1 à 11) Suivant l’épaisseur des lames. Se positionne toujours entre deux tubages, couvrent tous les diamètres De 4 pouces à 24 pouces

Type rigid T bar, très solides, utilisés surtout Dans les puits déviés et toujours entre deux tubages.

Type Bow spring non welded, Dénommés S T (de A0 à A4 ) Se positionnent dans le découvert Couvrent les diamètres de 4 pouces à 20 pouces.

Type Bow spring welded , Dénommés S .Se positionnent dans le découvert. Couvrent les diamètres de 4 1/2 pouces à 20 pouces.

Un centreur se positionne Toujours sur un (stop ring ) Ou sur un manchon Jamais entre deux de Ces éléments


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Modèle spiral glider existe avec lames droites. couvre les diamètres de 2 3/8 à 13 3/8

Les centreurs rigides pour puits horizontaux (fig: 3)

Les turbolizers

Modèle short spiralModèle aluminium Existe en spiral

Modèle double Modèle simple


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Définition des règles

Il existe des règles sur le choix des centreurs de tubage. ces règles sont spécifiées dans le bulletin a p i numéro 10 d. en résumé, pour obtenir une gaine de ciment uniforme il faut que celui-ci soit centré dans le puits. Ce centrage s’obtiens par les centreurs, il faut donc que les lames des centreurs souples possèdent une certaine rigidité pour écarter et centrer le tubage même dans un puits horizontal.

Terrain

Terrain

F

F

Cette force que nous appellerons F devra Au moins être égale à 80 % du poids moyen D’un tube de 12 mètres. Exemple : Pour un tubage 13 3/8 le poids moyen est Environ de 90 daN /m La force de restauration d’une lame devrait être Au moins de 90 x 12 x 0,8 = 865 daN /m pourUn certain diamètre de trou.

Tub

Tub

Tro TroCentCent

Pour un tubage de7 pouces, Quel que soit son grade ! On pourra utiliser des centreurs ST A1 et ou ST A2 dans un trou 8 _1/2

Pour un tubage de 13 3/8 pouces.Quel que soit son grade ! On pourra utiliser seulement des centreurs ST A4

Les centreurs rigides ne subissent Pas cette règle, mais leur diamètre Extérieur doit Impérativement leur Permettre de passer dans le Tubage Précédent.


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4.3.1 Centreurs flexibles

AvantagesÉventail de choix entre faible résistance lors de la descente et grande

force de restitution (restoring force).

� procurent une force de centrage dans les sections over-gauged. � peuvent être descendus dans les sections under-gauged.

Inconvénient

� doivent être poussés ou tirés dans le trou au départ pour vaincre les frottements (starting force)

� pas de force de restitution définie. � temps de descente allongé dû aux frottements croissants. � peuvent être endommagés/cassés pendant la descente et/ou la

cimentation (réciprocation, rotation).

� les centreurs flexibles doivent être toujours placés au-dessus (à cheval) d'un stop collar (= stop ring) pour les diamètres ≥ 9-5/8", ou entre 2 stop collars pour les diamètres ≤ 7".

� la force de restitution et par conséquent le stand-off dépendent de

l'espacement entre centreurs.

� le nombre de centreurs flexibles est très dépendant de la sévérité des doglegs.

� une charge latérale trop importante sur un centreur peut l'écraser, et

l'augmentation de charge résultante sur les centreurs avoisinants va diminuer le standoff du casing. a l'extrême cela peut conduire à un écrasement en chaîne d'autres centreurs.

� au moment de la cimentation, puisque l'on pompe successivement des

fluides de densités différentes, on aura donc une variation des facteurs de flottabilité, et par conséquent une variation des charges latérales sur les centreurs.

� ceci doit être pris en compte au moment de l'élaboration du programme de

centralisation du tubage (simulateur 3d).

� les centreurs weatherford st 2 et st 3m sont recommandés pour centrer dans les sections over-gauged. le type st 3 m a été spécialement adapté pour les puits horizontaux avec l'adjonction d'une bague de bronze à chaque extrémité, permettant au tubage de tourner librement (cimentation en rotation).


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4.3.2 Centreurs rigides

Les centreurs rigides peuvent être soit de type "flottant" (free floating) ils peuvent bouger sur le corps du casing -- soit de type "intégral" (solid), et ils sont solidaires du corps du tube pendant la descente.

Les centreurs rigides flottants sont installés entre 2 stop collars. ils assurent une centralisation positive dans les sections du trou calibrées et à l'intérieur du casing précédent, et ne créent pas de force de frottement à vaincre au démarrage ni pendant la descente à l'intérieur du casing précédent.

Les centreurs weatherford de type spiral rigid centralisers (src) ou spiragli sont recommandés. ils sont moulés en aluminium massif avec des lames à la fois bombées et spiralées pour maximiser le standoff et accroître la vitesse annulaire des fluides passant au travers des lames, tout en minimisant les frottements au cours de la descente.

De plus ils permettent la rotation du tubage (utiliser des stop collars à charnière jsh).

4.3.3 Recommandations dans l'usage des centreurs

a. centreurs flexibles

� sections du trou non calibrées.

Programme informatique de centrage

1. log caliper et profil réel du puits sont indispensables pour obtenir un programme de centreurs valide,

2. espacement ± 6 m dans la section horizontale.

3. prendre en compte les variations de flottaison du casing.

4. utiliser une combinaison de centreurs rigides et flexibles.

L’utilisation d'un simulateur 3D du puits est essentielle pour optimiser le programme de centreur pour chaque puits.

� le casing doit être bien centré à l'intérieur du sabot du casing précédent. � programme de centralisation sur mesure

Un log caliper et le profil réel du puits (mesures de déviation en continu ou à intervalles réguliers) sont les données nécessaires pour le simulateur 3d afin d'obtenir un programme de centralisation approprié.


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Pour les puits horizontaux ou très déviés, un programme de centralisation spécifique au profil et à la géométrie du puits d'une part, aux densités de la boue / spacers / laitiers d'autre part, constitue le point de départ essentiel à l'obtention d'une bonne cimentation.

� simulations 3d

Toutes les compagnies de cimentation disposent de programme de centralisation, lui-même partie intégrante du programme de cimentation.

Par exemple cemcade chez dowell schlumberger (figure .4)

Les paramètres minimum recommandés sont :

API casing stand-off = 70 %

Espace annulaire = 1-1/2" ou bien 0.67 ≤≤≤≤ ∅∅∅∅csg / ∅∅∅∅trou ≤≤≤≤ 0.77

� règle du pouce : espacement des centreurs ± 6 m dans la section horizontale.

Figure 4 - illustration du programme de centralisation cemcade


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b. Centreurs rigides dans l'open hole

Chaque fois que le trou est calibré ou over-gauged, il faut préférer systématiquement les centreurs rigides aux flexibles.

a ce sujet Exxon rapporte que sur 50 % de ses puits fortement déviés utilisant des centreurs flexibles les cimentations primaires étaient défaillantes et qu'il fallait faire des squeezes de ciment.En remplaçant dans l'open hole les centreurs flexibles par des rigides (qui garantissent ainsi un stand off minimum de 70 %), le taux d'échec des cimentations est passé de 50 à 20 %.

c. centreurs rigides dans le casing précédent

Dû aux fortes charges latérales s'exerçant au niveau du sabot du casing précédent, il est recommandé de mettre des centreurs rigides dans cette zone.

Si on fait de même dans la section build up, on diminue sensiblement les frottements et le torque (cimentation en rotation).

d. centreurs flexibles et flottabilité

Si le trou est under-gauged, on n'a d'autre choix que d'utiliser des centreurs flexibles dans l'open hole.

Quand on va alors préparer le programme de centralisation à l'aide du simulateur 3d, le fait d'utiliser des centreurs flexibles impose de prendre en compte les effets de changement de flottabilité et donc de poids du casing pendant la cimentation.

Pendant le déplacement à l'intérieur du casing d'un laitier de densité plus élevée par rapport à la boue, les charges latérales sur les centreurs augmentent, diminuant par là même les valeurs de

le même phénomène de variation de flottabilité et donc de stand off a lieu préalablement lors du pompage du spacer.

Il faut donc :

1) vérifier avec le simulateur qu'un stand off minimum de 70 % sera maintenu tout au long de la cimentation afin de permettre le déplacement effectif de la boue et la mise en place du laitier.

2) choisir pour chaque centreur flexible le modèle qui maintiendra le stand off requis, ou bien si les centreurs flexibles sont de même modèle, déterminer le spacing précis permettant le maintien du stand off requis.

La flottabilité du casing est également à prendre en compte lors des simulations de torque et frottement si la cimentation doit se faire en rotation.


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5. RAPPEL SUR LES MECANISMES DE DEPLACEMENT DE LA BOUE

Le mécanisme optimal pour nettoyer le puits, déplacer la boue et mettre en place le laitier est le régime turbulent. hélas ce n'est pas toujours possible. Or au stade de l'élaboration du programme de cimentation et du design du laitier, il faut bien comprendre le mécanisme de chacun des modèles d'écoulement dans un puits horizontal.

5.1 Régime laminaire

Dans ce type de régime, toutes les particules du fluide se déplacent suivant les lignes droites, parallèles entre elles et dans la même direction. Le profil des vitesses est parabolique. La vitesse le long de la paroi est nulle. la vitesse en n’importe quelle point, autre que la paroi, est proportionnelle au débit volumique moyen et inversement proportionnelle à la viscosité. Le principe du déplacement laminaire d'un fluide par un autre est fondé sur l'établissement d'une hiérarchie séquentielle entre les fluides, hiérarchie basée sur la flottabilité, les pertes de charge (friction) et la tension de cisaillement (shear stress.

a. flottabilité

La densité plus élevée du laitier du ciment en dessous d’une boue de densité inférieure procure une force positive de déplacement sur la boue, comparable à une flottabilité. Le laitier de ciment devrait toujours être calculé avec une densité supérieur à celle de la boue. Dans un puits horizontal ou fortement dévié cet effet est négligeable. En pratique les effets de la flottabilité n'entrent pas en ligne de compte dans la mécanique du déplacement des fluides d'un puits horizontal. À l'origine on pensait que la différence de densité créerait un effet négatif d'interface fluide en forme de biseau, le laitier plus dense faisant du channeling le long de la génératrice inférieure du trou. en fait les études en laboratoire indiquent que la différence de densité aide plutôt la boue plus légère à décoller / flotter au-dessus de la paroi inférieure du trou.

b. pertes de charge (friction)

En régime laminaire elles constituent la clé du déplacement d'un fluide par un autre. lors du déplacement avec le débit programmé, les pertes de charge par unité de longueur pour chacun des fluides dans l'annulaire doivent être par ordre croissant :

Boue < Wash < spacer < laitier


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Pour optimiser l'efficacité du déplacement, les pertes de charge par unité de longueur pour chaque fluide doivent être au moins > 20 % supérieures à celles du fluide précédent.

c. gradient de pression minimum (mpg)

Le fluide déplaçant doit engendrer dans le fluide déplacé une tension de cisaillement > yield point yp du fluide déplacé. ceci s'applique aux fluides binghamiens (yp), c'est-à-dire à la plupart des boues (sauf polymères) et tous les laitiers de ciment.

d. stabilité de l'interface fluide

Le fluide déplaçant a toujours tendance à s'écouler le long du chemin de moindre résistance, c'est-à-dire là où l'espace annulaire est le plus large (⇒déséquilibre du profil de vitesse annulaire ⇒ channeling). À cause des différences de rhéologie entre les fluides, il y aura un débit "critique" au-dessus duquel la vitesse annulaire du fluide déplaçant dans le grand annulaire va devenir inférieure à celle du fluide déplacé dans le petit annulaire. En pompant à un débit inférieur au débit "critique", l'interface fluide tendra à se stabiliser. Pour un tubage parfaitement centré, ce calcul s'applique à n'importe quel débit dans le même régime d'écoulement.

C’est pourquoi la centralisation du tubage est un paramètre important lorsque l'on prévoit de déplacer les fluides en régime laminaire (figure 5)

Figure 5- optimisation du déplacement en régime laminaire


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5.2 Régime turbulent

Les particules du fluide n’avancent plus suivant une ligne droite mais au sein de turbulence en suivant une trajectoire de forme aléatoire.

a. la centralisation est essentielle quand on veut déplacer un fluide par un autre en régime turbulent.

b. rhéologie pour turbulent & rhéologie pour laminaire

Il est évident que les propriétés des fluides programmés pour être pompés en turbulent ne répondent pas aux critères requis pour un déplacement efficace en laminaire.

C’est pourquoi les fluides connus pour être pompés en turbulent ne se déplaceront pas efficacement les uns les autres si dans la partie étroite de l'annulaire ils se retrouvent en régime laminaire à cause des différences de pertes de charge et de vitesse annulaire (voir paragraphe 5.1).

c. la figure 6 illustre la relation entre le débit de pompage et l'excentricité du tubage, si le régime turbulent doit être utilisé pour déplacer avec succès les fluides dans la partie étroite de l'annulaire.

Figure 6 - variation du débit en fonction de l'excentration du casing (régime turbulent)

Pour optimiser le déplacement effectif de la boue et la mise en place du laitier, les fluides doivent être en régime turbulent tout autour de la circonférence du casing. Quand le tubage est excentré, le débit requis pour assurer dans le petit espace une vitesse annulaire suffisante pour excéder le nombre de Reynolds (Re pour turbulent) doit être augmenté.


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Or dans le cas où un casing normalement centré exige un débit de pompage important, une fois le casing excentré le débit alors nécessaire à atteindre le régime turbulent dans le petit espace devient carrément irréalisable, du fait des limitations de capacité des pompes, pression en surface, ecd.

6. CIMENTATION

6.1 Design du laitier

1. stabilité

- pas d'eau libre (test horizontal) - pas de sédimentation

2. filtrat

- < 30 ml / 30 min

3. rhéologie

- basée sur les pertes de charge (frottements) - yp faible - gel faible - temps de transition court

4. uniformité

- batch mixing - contrôle continu de la densité

5. eau libre

Testé horizontalement, le laitier ne doit pas montrer d'eau libre. le test doit être fait à l'horizontale car la séparation de l'eau libre se fera plus rapidement qu'à la verticale dans le tube 250 ml.Si un laitier développe de l'eau libre, un canal se formera le long du drain horizontal, permettant la communication tout du long.

6. sédimentation (stabilité)

Le laitier doit être le plus stable possible pour ne donner naissance à aucune sédimentation.

Une sédimentation résulterait en l'obtention d'un laitier plus dense sur la génératrice inférieure du trou (low side) et d'un laitier léger hautement perméable sur la génératrice supérieure (high side) par lequel le fluide du réservoir pourrait pénétrer. Cette sédimentation pourrait également conduire à la dislocation de l'enveloppe de ciment lors des perforations.

La stabilité du laitier peut être évaluée avec précision par le test de sédimentation de greaves et hibbert (bp).


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Les avantages de ce test sont les suivants :

- l'eau libre peut être mesurée,

- les variations de densité dans le cylindre de ciment peuvent être mesurées et quantifiées (par tranches d'épaisseur pour une densité donnée).

- filtrat < 30 ml / 30 min

Le contrôle du filtrat est particulièrement important dans un puits horizontal ou fortement dévié.

Un contrôle du filtrat est nécessaire pour maintenir les propriétés du laitier et sa densité pendant son long déplacement dans l'annulaire, tout en minimisant l'endommagement du réservoir par le filtrat du laitier. Si le filtrat est mal contrôlé, la rhéologie du laitier sera modifiée avec pour conséquence des pertes de charge excessives (frottements → ecd equivalent circulating density) lors du déplacement en turbulent et par suite une augmentation de la valeur du filtrat (cercle vicieux). Les propriétés du laitier sont fonction du ratio eau / ciment (figure 7).

figure7 - relation entre la tension de cisaillement du laitier et son rapport eau / ciment

dans un puits horizontal ou fortement dévié le laitier se trouve exposé à la formation perméable (réservoir) pendant un laps de temps beaucoup plus long comparé à un puits classique, ce qui augmente le risque de filtration et donc d'endommagement du réservoir par le filtrat, à moins que la perte de filtrat du laitier (= déshydratation du laitier) ne soit rigoureusement contrôlée.


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7. rhéologie

Elle doit être établie de façon à minimiser la pression due aux frottements et donc l'ECD durant le déplacement en régime turbulent.

la valeur du gel du laitier a une importance toute particulière pour la cimentation de la partie horizontale ou fortement déviée. la densité généralement plus élevée du laitier augmente singulièrement la pression hydrostatique sur le puits. Cependant il est nécessaire que ce laitier transmette pleinement au réservoir -- sur toute la section forée -- la pression hydrostatique de la boue de forage pendant la prise, afin d'éviter tout phénomène de migration des fluides du réservoir vers l'annulaire et donc de contamination du ciment (⇒ mauvaise cimentation).

Pour être capable de bien transmettre la pression hydrostatique, le laitier doit avoir un gel faible et un temps de transition court.

8. simulation

Au stade du design, si on programme de pomper le laitier en turbulent, la compagnie de service doit faire une simulation pour déterminer le débit "critique" au-dessous duquel il y aura une interface fluide stable entre le wash / spacer en régime turbulent et le laitier en régime laminaire. Ainsi au cas où des conditions de trou ou opérationnelles empêcheraient le laitier d'être pompé en turbulent, on sera capable de mettre en place le laitier en régime laminaire.

9. batch mixing

Comme pour les autres puits, le batch mixing a pour but d'assurer à la fois une énergie de mixage et une uniformité garantissant des propriétés du laitier conformes aux tests de laboratoire lors du design.

6.2 Wash & spacers

Rhéologie

• détermine l'efficacité du déplacement de la boue • fluides newtoniens en régime turbulent

stabilité

• pas de sédimentation

volume

• séparation minimum de 250 m • régime turbulent : 10 minutes de temps de contact • régime laminaire : volume minimum 10 m3

compatibilité

• mouillage à l'eau • la rhéologie de l'interface des fluides doit rester constante.


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La rhéologie du wash/spacer et son régime d'écoulement pendant le pompage déterminent l'efficacité du déplacement de la boue.

Autant que possible, il faut utiliser un wash plutôt qu'un spacer non-newtonien.

Ceci permet de combiner éventuellement les techniques de déplacement en laminaire et turbulent :

- le wash newtonien déplaçant la boue en régime turbulent, - la rhéologie du laitier étant connue pour pouvoir déplacer la boue et le

wash aussi bien en turbulent qu'en laminaire si les conditions de trou ou des considérations opérationnelles empêchent le pompage en turbulent.

Le volume du spacer doit procurer une séparation des fluides dans l'annulaire de 250 m minimum. cette séparation minimum des fluides est critique pour maintenir la stabilité des interfaces et pour assurer un déplacement de la boue efficace.

De petits volumes de spacer sont piégés dans les wash-out, réduisant de fait le volume effectif et la longueur du spacer en tête du laitier dans l'annulaire.

� compatibilité

Elle est essentielle si on doit déplacer en régime turbulent.

La non compatibilité entraîne généralement une augmentation de la yield des fluides au niveau de l'interface, et par conséquent une augmentation de la vitesse annulaire requise pour maintenir le régime turbulent.

6.3 Déplacement de la boue

1. circuler le puits

• nettoyage du trou • boue mobile > 95 % du volume total du puits • log caliper

2. conditionner la boue

• solides de formation lgs < 10 % • abaisser le yield point • diminuer les gels

3. déplacer la boue de l'annulaire

• optimisation du déplacement de la boue et de la mise en place du laitier • simulateur

un déplacement de la boue efficace implique (a) la réduction du pourcentage de boue de faible mobilité et (b) l'élimination du mud cake.


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filtrat

cake boue peu mobile

ciment boue mobile

casing

Figure .8 - déplacement de la boue

� un processus en 3 étapes

Nettoyage, conditionnement de la boue, déplacement de la boue.

� solides de formation < 10 %

Les solides de la formation doivent être éliminés mécaniquement afin d'éviter des frottements et torques élevés pendant la cimentation.

Une fois que la teneur en lgs (low gravity solids) dans la boue est inférieure à 10 %, on peut alors commencer le traitement de la boue pour abaisser le yield point et les gels.On peut estimer qu'à ce stade 95 % du puits est en circulation (= boue mobile).

� volume de circulation = ± volume du puits x 3

Il est important de baser le volume de circulation sur un log caliper plutôt que sur un calcul théorique.

si la section du puits fortement inclinée / horizontale est importante, il faut généralement circuler ± 3 fois le volume du puits pour conditionner la boue de façon adéquate avant la cimentation.

en effet il faut tout d'abord circuler plus d'un cycle pour avoir le bottom up effectif et s'assurer que le puits est propre, avec une teneur lgs de la boue in/out < 10 %. et ce n'est qu'après qu'il est recommandé de commencer le traitement pour abaisser les valeurs de yp et gels.

� déplacement de la boue par le wash / spacer

Efficacité du déplacement de la boue est fonction de :

• la rhéologie des fluides • la vitesse annulaire (débit de pompage) • le régime d'écoulement


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Le déplacement de la boue est facilita par :

• la centralisation (> 70 % api casing standoff) • l'augmentation de l'espace annulaire • les mouvements du casing

L’efficacité du déplacement est optimale quand tous les fluides sont en régime turbulent.

6.4 Mouvements du casing

La force de frottement entre la boue et le tubage peut être modifiée par la force positive de déplacement de la boue en imprimant un mouvement de rotation du tubage pendant le déplacement du ciment. la force de déplacement tangentielle aide à l’enlèvement de la boue à l’endroit de l’annulaire excentré. Un mouvement de translation alternatif crée une force positive de déplacement. Cependant, le mouvement alternatif affecte la vitesse du ciment et de la boue et n’est bénéfique que dans la cas d’un écoulement turbulent ou laminaire.

6.4.1 Rotation vs réciprocation

Bien que la plupart des études en laboratoire sur l'efficacité du déplacement en fonction du mouvement du casing indiquent que la réciprocation est plus bénéfique que la rotation, ceci n'a pas été prouvé par les résultats sur le terrain.

� réciprocation

D’abord il faut calculer les pressions swab & surge engendrées pour déterminer si la réciprocation est possible. S’il y a présence de gaz, la réciprocation doit simplement ne pas être envisagée.

Dans les puits horizontaux ou fortement déviés, les charges latérales sur les centreurs vont dans bien des cas (formations tendres) engendrer une excentration croissante du casing à mesure que les lames des centreurs taillent dans la formation, ainsi que des frottements croissants lors des mouvements du tubage. La réciprocation n'est donc pas recommandée dans les formations tendres / peu consolidées.

� rotation

La rotation du tubage améliore non seulement l'efficacité du déplacement mais aussi contribue à nettoyer le puits, à diminuer les pertes de charge dues à la friction (ECD) ainsi que les forces de frottement (drag).Pour toutes ces raisons d'ordre opérationnel la rotation est préférée à la réciprocation.

� l'idéal serait la combinaison rotation-réciprocation.


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6.4.2 Torque et frottements

Frottements et torque excessifs constituent le facteur limitant essentiel des puits horizontaux. De ce fait des logiciels "torque & drag" ont été développés pour prédire ces valeurs en forage ou en tubage. Tous ces modèles dérivent des équations "torque & drag" développées par Exxon.

� simulation et monitoring

Il est possible de prédire (simuler) ou d'enregistrer frottements et torque pendant une cimentation. D drag (schlumberger) calcule et monitore les frottements pendant la descente du casing (calcule aussi pendant le forage la charge sur les composants de la garniture et donc leur degré de flambage). L drag (schlumberger) calcule le torque et les charges axiales sur un liner en rotation seule / réciprocation seule / rotation + réciprocation. Pendant une cimentation. Les variations de flottabilité pendant la cimentation sont prises en compte. � procédure sur chantier

Une procédure simple permet de fixer les limites de torque quand on cimente le liner en rotation ou réciprocation.

Détermination pratique du "torque & drag"

� descendre le liner et stopper 100 m au-dessus du sabot du tubage

précédent.

� mettre le liner en rotation à 15-20 rpm. en cas de réciprocation, réciproquer sur ± 6 m.

� enregistrer le torque maximal en surface, (mesurer séparément les

valeurs du torque vers le haut et torque vers le bas si réciprocation).

� ajouter la valeur du couple de vissage du liner à la (aux) valeur(s) enregistrée(s) en 3.

� régler le limiteur de couple (torque limiter) à la (aux) valeur(s)

enregistrée(s) en 4.


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Figure 9 - monitoring du torque lors de la cimentation d'un liner en rotation seulement.

Quand le liner est ciment simultanément en rotation et réciprocation, le torque et frottements appliqués aux tiges de forage varient considérablement suivant que l'on manœuvre vers le haut ou vers le bas, à cause des variations de tension dans la garniture.

figure.10 - variation du torque pendant une cimentation avec rotation et réciprocation.


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� point faible

Quand il y a rotation, le point faible de l'ensemble liner / train de tiges est constitué par la connexion casing située sous le liner hanger. C’est pourquoi il est important de faire la distinction entre le torque mesuré en surface et le torque réellement appliqué au top du liner. Pour éviter le risque de survissage dans le trou (over-torquing), on peut faire le choix d'utiliser des connexions à épaulement (shouldered connections) pour le liner.

� arrêt de la rotation

il faut parfois stopper la rotation du liner pendant la chasse, notamment au moment où le laitier -- généralement plus dense -- est à l'intérieur du liner. la rotation peut être reprise la plupart du temps dès que le laitier est partiellement dans l'annulaire.

6.5 Mise en place du laitier

Régime recommandé pour la mise en place du laitier

Le gradient de fracturation du drain horizontal doit être considéré pour l'optimisation du débit de chasse.

• régime turbulent • régime laminaire

il est possible de déplacer le laitier grâce à une combinaison de régimes turbulent et laminaire.

� gradient de fracturation Dans un puits horizontal ou fortement dévié le gradient de fracturation est souvent différent de celui d'un puits vertical. La pression de fracturation est fonction de l'inclinaison (β) et de l'orientation (α)du puits par rapport à la contrainte in-situ principale (figure 11). Cette pression peut être supérieure ou inférieure à celle enregistrée dans un puits vertical voisin (figure 12). On utilise le gradient de fracturation d'un puits vertical voisin pour déterminer l'ecd maximum admissible sans fracturer la formation.

Pour calculer le gradient de fracturation à une profondeur donnée avec une inclinaison donnée, il faut prendre en compte trois paramètres :

- le gradient d'overburden σo (log sonic) - les contraintes in-situ σti (calculées à partir de σo et pression de pore po)- la constante de pression de pore po

* (déterminée à partir du leak off test dans le puits incliné, ou bien de la pression de fracturation dans un puits vertical voisin).


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- Le gradient de fracturation peut être également déterminé à partir de l'analyse différentielle des contraintes réalisée sur une carotte orientée (dsca différentiel strain curve analysis.

figure 11 - variation de la pression de fracturation en fonction de l'orientation α du puits

figure12 - application à un puits dévié

� régime de chasse et fracturation

Le régime turbulent, qui requiert souvent des débits et pressions élevés, est le mode d'écoulement le plus efficace tant pour le nettoyage que pour le déplacement des fluides dans un puits fortement dévié.


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c'est pourquoi il est nécessaire d'avoir une bonne compréhension de la façon dont les gradients de fracturation peuvent varier avec l'inclinaison du trou, et par suite une bonne connaissance de leurs valeurs.

selon les possibilités offertes, on cimentera de préférence en régime turbulent, à défaut en régime laminaire, ou avec une combinaison des deux régimes.

7. POSE DE BOUCHON DE CIMENT DANS UN DECOUVERT HORIZONTAL /FORTEMENT INCLINE

Design et procédure de mise en place d'un bouchon de ciment dans un découvert horizontal diffèrent sensiblement de ceux des puits classiques, que ce soit à des fins d'abandon ou de side-track.

� design La longueur du bouchon doit être accrue en fonction de l'augmentation de l'inclinaison, la longueur d'un bouchon dans un puits horizontal étant le double de celle d'un puits vertical pour une application semblable.les bouchons pour kick-off doivent être de densité élevée, et réalisés avec des ciments développant une résistance mécanique élevée. L’addition de silice ou d'agents alourdissant inertes (baryte, fer) n'a pas d'effet positif sur la résistance mécanique du bouchon.des aides mécaniques ou chimiques pour empêcher la migration augmentent les chances de succès au fur et à mesure que l'inclinaison augmente. Le pompage d'un spacer suivant immédiatement le laitier minimisera sa contamination par la boue.

Technique de mise en place

Les aides mécaniques fournissent un appui pour le bouchon de ciment, ou bien améliorent le déplacement des fluides en place et leur remplacement par le ciment. Les bridges plugs sont communément utilisés pour créer un appui et empêcher le laitier de ciment de bouger une fois posé. À défaut, utiliser un bouchon visqueux pour asseoir le bouchon de ciment. la garniture de pose doit être constituée de tubulaires de petit diamètre, le tubing étant préférable aux tiges de forage (tool joints), et elle doit être équipée de centreurs flexibles, améliorant ainsi le déplacement des fluides et la mise en place du ciment grâce à un annulaire concentrique. L’extrémité du tail pipe doit être équipé d'un diverter sub, muni d'évents latéraux qui répartissent le laitier tout autour, ce qui donne de bien meilleurs résultats qu'un écoulement longitudinal.

figure13 - diverter sub

Une option réside dans l'utilisation de deux bouchons de cimentation et d'un réceptacle : le laitier est isolé pendant le pompage, d'où absence de


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contamination. Dans tous les cas il est recommandé de mettre le ciment en place avec la garniture en rotation, et une fois que le bouchon a été mis en place à l'équilibre, de remonter la garniture lentement tout en maintenant la rotation. Il reste très difficile de poser un bouchon de ciment développant une bonne résistance mécanique dans un puits fortement dévié ou horizontal. Selon halliburton, il faut actuellement dans le monde en moyenne 2.4 tentatives avant de réussir un bouchon de side-track.

cimentation des puits horizontaux

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