Conception du boîtier

Pour concevoir une chaîne de boîtier, il faut avoir connaissance de:

• But du puits
• Section géologique
• Tailles de tubage et de trépans disponibles
• Pratiques de cimentation et de forage
• Performances de la plate-forme
• Réglementations en matière de sécurité et d’environnement

Pour parvenir à la solution optimale, l’ingénieur de conception doit considérer le tubage comme faisant partie d’un système de forage complet. Une brève description des éléments impliqués dans le processus de conception est présentée ci-après.

Objectif de conception

L’ingénieur responsable de l’élaboration du plan du puits et de la conception du tubage est confronté à un certain nombre de tâches qui peuvent être brièvement caractérisées.

• Assurer l’intégrité mécanique du puits en fournissant une base de conception qui tient compte de toutes les charges prévues pouvant être rencontrées pendant la durée de vie du puits.
• Concevez des chaînes pour minimiser les coûts du puits pendant la durée de vie du puits.
• Fournir une documentation claire de la base de calcul au personnel opérationnel sur le site du puits. Cela aidera à éviter le dépassement de l’enveloppe de conception par l’application de charges non prises en compte dans la conception originale.

Bien que l’intention soit de fournir une construction de puits fiable à un coût minimum, des défaillances se produisent parfois. La plupart des défaillances documentées se produisent parce que le tuyau a été exposé à des charges pour lesquelles il n’a pas été conçu. Ces échecs sont appelés échecs « hors conception ». Les échecs « sur conception » sont plutôt rares. Cela implique que les pratiques de conception des caissons sont pour la plupart conservatrices. De nombreuses pannes se produisent au niveau des connexions. Cela implique que soit les pratiques de maquillage sur le terrain ne sont pas adéquates, soit la base de conception du raccordement n’est pas cohérente avec la base de conception du corps de conduite.

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Méthode de conception

Le processus de conception peut être divisé en deux phases distinctes.

Conception préliminaire

Généralement, les possibilités les plus importantes d’économiser de l’argent sont présentes lors de l’exécution de cette tâche. Cette phase de conception comprend:

• Collecte et interprétation des données
• Détermination des profondeurs des sabots de cuvelage et du nombre de cordes
• Sélection des tailles de trous et de tubage
• Conception du poids de la boue
• Conception directionnelle

La qualité des données recueillies aura un impact important sur le choix approprié des tailles de tubage et les profondeurs de chaussure et si l’objectif de conception du boîtier est atteint avec succès.

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Conception détaillée

La phase de conception détaillée comprend la sélection des poids et des qualités des tuyaux pour chaque chaîne de tubage. Le processus de sélection consiste à comparer les cotes nominales des tuyaux avec les charges de calcul et à appliquer des normes de sécurité minimales acceptables (c.-à-d. des facteurs de conception). Une conception rentable répond à tous les critères de conception avec le tuyau disponible le moins cher.

Informations requises

Les éléments énumérés ci-après sont une liste de contrôle, qui est fournie pour aider les planificateurs de puits / concepteurs de caissons dans la conception préliminaire et détaillée.

• Propriétés de formation: pression interstitielle; pression de rupture de formation; résistance à la formation (rupture du forage); profil de température; localisation des zones de compression du sel et du schiste; localisation des zones perméables; stabilité chimique / schistes sensibles (type de boue et temps d’exposition); zones de circulation perdue, gaz peu profond; localisation des sables d’eau douce; et présence de H2S et/ou de CO2.
• Données directionnelles : emplacement en surface; cible(s) géologique(s); et données d’interférence de puits.
• Exigences de diamètre minimum: taille minimale du trou requise pour atteindre les objectifs de forage et de production; diamètre extérieur de l’outil d’exploitation forestière (DO); taille(s) des tubes; exigences relatives à l’emballeur et à l’équipement connexe; soupape de sécurité souterraine OD (puits offshore); et les exigences d’achèvement.
• Données de production: densité du fluide d’emballage; composition du fluide produit; et les pires charges pouvant survenir lors des opérations d’achèvement, de production et de reconditionnement.
• Autres : inventaire disponible; exigences réglementaires; et limites de l’équipement de plate-forme.

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Méthode de conception préliminaire

• Le but de la conception préliminaire est d’établir:
• Tubage et tailles de forets correspondantes
• Profondeurs de réglage du tubage
• Le nombre de cordons de tubage

Le programme de tubage (plan de puits) est obtenu à la suite de la conception préliminaire. La conception du programme de tubage se fait en trois étapes principales:

• Le programme de boue est préparé
• Les tailles de tubage et les tailles de foret correspondantes sont déterminées
• Les profondeurs de réglage des chaînes de tubage individuelles sont trouvées

Programme de boue

Le paramètre de programme de boue le plus important utilisé dans la conception du tubage est le « poids de boue. »Le programme de boue complet est déterminé à partir de:

• Pression interstitielle
• Résistance à la formation (rupture et stabilité du forage)
• Lithologie
• Capacité de nettoyage des trous et de transport des déblais
• Dommages potentiels à la formation, problèmes de stabilité et taux de forage
• Exigence d’évaluation de la formation
• Exigences environnementales et réglementaires

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Diamètres des trous et des tuyaux

Les diamètres des trous et des tubages sont basés sur les exigences décrites ci-après.

Production

Les exigences en matière d’équipement de production comprennent:

• Tubulure
• Soupape de sécurité souterraine
• Taille de la pompe submersible et du mandrin de levage de gaz
• Exigences d’achèvement (p. ex., emballage de gravier)
• Peser les avantages de la performance accrue des tubes de plus grande taille par rapport au coût plus élevé d’un tubage plus grand pendant la durée de vie du puits

Évaluation

Les exigences d’évaluation comprennent l’interprétation de la journalisation et les diamètres des outils.

Forage

Les exigences de forage comprennent:

• Un diamètre de trépan minimum pour un contrôle directionnel adéquat et des performances de forage
• Équipement de fond de trou disponible
• Spécifications de la plate-forme
• Équipement de prévention des éruptions (BOP) disponible

Ces exigences ont normalement une incidence sur le diamètre final du trou ou du tubage. Pour cette raison, les tailles de boîtier doivent être déterminées de l’intérieur vers l’extérieur à partir du fond du trou. La séquence de conception est généralement la suivante:

• Une taille de tube appropriée est sélectionnée, en fonction des performances d’entrée du réservoir et d’admission du tube
• La taille de tubage de production requise est déterminée, compte tenu des exigences d’achèvement
• Le diamètre du foret est sélectionné pour percer la section de production du trou, compte tenu des stipulations de forage et de cimentation
• Le plus petit boîtier à travers lequel le foret passera est déterminé
• Le processus est répété

De grandes économies de coûts sont possibles en devenant plus agressif (en utilisant des dégagements plus petits) pendant ce temps partie de la phase de conception préliminaire. Cela a été l’une des principales motivations de la popularité croissante du forage de trous minces. Les tailles typiques de tubage et de bits de roche sont données dans le tableau 1.

• 

  Tableau 1 – Tailles De Bits Couramment Utilisées Qui Passeront Par Le Boîtier API

• 

  Tableau 1 Suite – Tailles De Bits Couramment Utilisées Qui Passeront Par Le Boîtier API

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Profondeurs des sabots de tubage et nombre de cordes

Après la sélection des tailles de bits de forage et de tubage, la profondeur de réglage des cordes de tubage individuelles doit être déterminée. Dans les forages rotatifs classiques, les profondeurs de prise sont déterminées principalement par le poids de boue et le gradient de fracture, comme représenté schématiquement à la Fig. 1, qui est parfois appelé un plan de puits. Le poids équivalent de la boue (EMW) est la pression divisée par la profondeur verticale réelle et convertie en unités de lbm/ gal. EMW est égal au poids réel de la boue lorsque la colonne de fluide est uniforme et statique. Les lignes de gradient de pores et de fractures doivent être tracées sur un graphique de profondeur de puits par rapport à EMW. Ce sont les traits pleins de la Fig. 1. Des marges de sécurité sont introduites et des lignes brisées sont tracées, qui établissent les plages de conception. Le décalage par rapport à la pression interstitielle et au gradient de fracture prévus explique nominalement la tolérance au coup de pied et l’augmentation de la densité de circulation équivalente (DPE) pendant le forage. Il existe deux façons possibles d’estimer les profondeurs de réglage à partir de cette figure.

• 

  Fig. 1- Profondeur de réglage du boîtier – conception ascendante.

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Conception ascendante

Il s’agit de la méthode standard de sélection du siège du boîtier. Du point A de la Fig. 1 (le poids de boue le plus élevé requis à la profondeur totale), tracez une ligne verticale vers le haut jusqu’au point B. Une protection de 7 5/8 po. la chaîne de tubage doit être réglée à 12 000 pieds, correspondant au point B, pour permettre un forage sûr sur la section AB. Pour déterminer la profondeur de réglage du boîtier suivant, tracez une ligne horizontale BC puis une ligne verticale CD. De cette manière, le point D est déterminé pour le réglage du 9 5/8 po. boîtier à 9 500 pi. La procédure est répétée pour d’autres chaînes de tubage, généralement jusqu’à ce qu’une profondeur de tubage de surface spécifiée soit atteinte.

Conception descendante

À partir de la profondeur de réglage du 16 po. enveloppe de surface (ici supposée être à 2 000 pieds), tracez une ligne verticale depuis la ligne pointillée du gradient de fracture, Point A, jusqu’à la ligne pointillée de la pression interstitielle, Point B. Cela établit le point de réglage du 11¾-in. cuvelage à environ 9 800 pi. Tracez une ligne horizontale du point B à l’intersection avec la ligne de gradient de frac en pointillés au point C; puis, tracez une ligne verticale jusqu’au point D à l’intersection de la courbe de pression interstitielle. Cela établit le 9 5/8-in. profondeur de réglage du boîtier. Ce processus est répété jusqu’à ce que le trou inférieur soit atteint.

Il y a plusieurs choses à observer sur ces deux méthodes. Premièrement, ils ne donnent pas nécessairement les mêmes profondeurs de réglage. Deuxièmement, ils ne donnent pas nécessairement le même nombre de chaînes. Dans la conception descendante, la pression de fond est légèrement manquée, ce qui nécessite un court 7 po. section de doublure. Cette légère erreur peut être corrigée en réinitialisant la profondeur du boîtier de surface. La méthode descendante ressemble plus au forage d’un puits, dans lequel le tubage est réglé lorsque cela est nécessaire pour protéger le sabot de tubage précédent. Cette analyse peut aider à anticiper le besoin de chaînes supplémentaires, étant donné que les courbes de pression interstitielle et de gradient de fracture comportent une certaine incertitude.

En pratique, un certain nombre d’exigences réglementaires peuvent affecter la conception de la profondeur de la chaussure. Ces facteurs sont discutés ensuite.

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Stabilité du trou

Cela peut être fonction du poids de la boue, de la déviation et de la contrainte au niveau de la paroi du puits de forage, ou peut être de nature chimique. Souvent, les problèmes de stabilité des trous présentent un comportement dépendant du temps (la sélection des chaussures étant fonction du taux de pénétration). Le comportement d’écoulement plastique des zones salées doit également être pris en compte.

Collage différentiel

La probabilité de se coincer différentiellement augmente avec:

• Une augmentation de la pression différentielle entre le puits de forage et la formation
• Une augmentation de la perméabilité de la formation
• Une Augmentation de la perte de fluide du fluide de forage (c’est-à-dire un gâteau de boue plus épais)

Isolation Zonale. Les sables d’eau douce peu profonds doivent être isolés pour éviter toute contamination. Les zones de circulation perdue doivent être isolées avant qu’une formation de pression plus élevée ne soit pénétrée.

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Le forage directionnel concerne

Une chaîne de tubage est souvent exécutée après le forage d’une section de construction angulaire. Cela permet d’éviter les problèmes de changement de clé dans la partie incurvée du puits de forage en raison de la force normale accrue entre la paroi et le tuyau de forage.

Incertitude dans les propriétés de formation prévues

Les puits d’exploration nécessitent souvent des chaînes supplémentaires pour compenser l’incertitude dans les prédictions de pression interstitielle et de gradient de fracture.

Une autre approche qui pourrait être utilisée pour déterminer les profondeurs de réglage du tubage repose sur le tracé des pressions de formation et de fracturation par rapport à la profondeur du trou, plutôt que sur les gradients, comme le montre la Fig. 2 et Fig. 1. Cette procédure, cependant, donne généralement de nombreuses chaînes et est considérée comme très conservatrice.

• 

  Fig. 2 – Profondeurs de réglage du boîtier – conception descendante.

Le problème du choix des profondeurs de prise du tubage est plus compliqué dans les puits exploratoires en raison du manque d’informations sur la géologie, les pressions interstitielles et les pressions de fracture. Dans une telle situation, un certain nombre d’hypothèses doivent être formulées. Généralement, le gradient de pression de formation est pris comme 0,54 psi / ft pour des profondeurs de trou inférieures à 8 000 ft et comme 0,65 psi / ft pour des profondeurs supérieures à 8 000 ft. Les gradients de morts-terrains sont généralement pris comme 0,8 psi / ft à faible profondeur et comme 1,0 psi / ft pour de plus grandes profondeurs.

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Profondeurs de TOC

Les profondeurs de Top-of-cement (TOC) pour chaque chaîne de tubage doivent être sélectionnées lors de la phase de conception préliminaire, car cette sélection influencera les répartitions de charge axiale et les profils de pression externe utilisés pendant la phase de conception détaillée. Les profondeurs de COT sont généralement basées sur:

• Isolation zonale
• Exigences réglementaires
• Profondeurs de sabot antérieures
• Résistance à la formation
• Flambage
• Accumulation de pression annulaire (dans les puits sous-marins)

Les calculs de flambage ne sont pas effectués avant la phase de conception détaillée. Par conséquent, la profondeur du COT peut être ajustée, à la suite de l’analyse du flambage, pour aider à réduire le flambage dans certains cas.

Plan directionnel

Pour les besoins de la conception du tubage, l’établissement d’un plan directionnel consiste à déterminer le trajet du puits depuis la surface jusqu’aux cibles géologiques. Le plan directionnel influence tous les aspects de la conception du boîtier, notamment:

• Poids de la boue et sélection de la chimie de la boue pour la stabilité du trou
• Sélection du siège de la chaussure
• Profils de charge axiale du carter
• Usure du carter
• Contraintes de flexion
• Flambement

Il est basé sur des facteurs tels que:

• Cibles géologiques
• Emplacement en surface
• Interférence d’autres puits de forage
• Considérations relatives au couple et à la traînée
• Considérations relatives à l’usure du tubage
• Assemblage de fond
• Performance du foret dans le contexte géologique local

Pour tenir compte de l’écart par rapport aux taux de construction, de chute et de retournement prévus, qui se produisent en raison des BHA utilisés et des pratiques opérationnelles utilisées, des pattes de chien plus élevées sont souvent superposées sur le puits de forage. Cela augmente la contrainte de flexion calculée dans la phase de conception détaillée.

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Méthode de conception détaillée

Cas de charge

Afin de sélectionner les poids, les grades et les connexions appropriés pendant la phase de conception détaillée en utilisant un jugement technique solide, des critères de conception doivent être établis. Ces critères sont normalement constitués de cas de charge et de leurs facteurs de conception correspondants qui sont comparés aux cotes de tuyauterie. Les cas de chargement sont généralement placés dans des catégories qui incluent:

• Charges d’éclatement
• Charges de forage
• Charges de production
• Charges d’effondrement
• Charges axiales
• Charges de fonctionnement et de cimentation
• Charges de service

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Facteurs de conception (DF)

………………..(1)

où

DF = facteur de conception (le facteur de sécurité minimum acceptable) et

SF = facteur de sécurité.

Il s’ensuit que

………………..(2)

Par conséquent, en multipliant la charge par le DF, une comparaison directe peut être faite avec le calibre du tuyau. Tant que l’estimation est supérieure ou égale à la charge modifiée (que nous appellerons la charge de conception), les critères de conception ont été satisfaits.

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Autres considérations

Après avoir effectué une conception basée sur des considérations d’éclatement, d’effondrement et axiales, une conception initiale est réalisée. Avant qu’une conception finale soit atteinte, les problèmes de conception (sélection de la connexion, usure et corrosion) doivent être résolus. En outre, d’autres considérations peuvent également être incluses dans la conception. Ces considérations sont des contraintes triaxiales dues à des charges combinées (par exemple, effets de montgolfière et thermiques) — on parle souvent d' »analyse de la durée de vie », d’autres effets de la température et de flambage.

Charges sur les chaînes de tubage et de tubage

Afin d’évaluer une conception de tubage donnée, un ensemble de charges est nécessaire. Les charges d’enveloppe résultent de:

• Fonctionnement du tubage
• Cimentation du tubage
• Opérations de forage ultérieures
• Opérations de production et de reconditionnement de puits

Les charges de tubage sont principalement des charges de pression, des charges mécaniques et des charges thermiques. Les charges de pression sont produites par les fluides à l’intérieur du tubage, le ciment et les fluides à l’extérieur du tubage, les pressions imposées à la surface par les opérations de forage et de reconditionnement, et les pressions imposées par la formation pendant le forage et la production.

Les charges mécaniques sont associées à:

• Poids de suspension du boîtier
• Charges de choc pendant le fonctionnement
• Charges de Packer pendant la production et les reconditionnements
• Charges de suspension

Les variations de température et les charges de dilatation thermique qui en résultent sont induites dans le boîtier par le forage, la production et les reconditionnements, et ces charges peuvent provoquer des charges de flambage (contrainte de flexion) dans des intervalles non cimentés.

Les charges d’enveloppe généralement utilisées dans la conception préliminaire d’enveloppe sont les suivantes:

• Charges à pression externe
• Charges à Pression interne
• Charges mécaniques
• Charges thermiques et Effets de température

Cependant, chaque société d’exploitation a généralement son propre ensemble spécial de charges de conception pour le boîtier, en fonction de son expérience. Si vous concevez une chaîne de boîtier pour une entreprise particulière, ces informations de charge doivent être obtenues auprès d’elles. Parce qu’il y a tellement de charges possibles qui doivent être évaluées, la plupart des conceptions de boîtiers se font aujourd’hui avec des programmes informatiques qui génèrent les ensembles de charges appropriés (souvent personnalisés pour un opérateur particulier), évaluent les résultats et peuvent parfois déterminer automatiquement une conception à coût minimum.

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Articles remarquables dans OnePetro

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Livres remarquables

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Det Norske Veritas. 1981. Règles pour la Conception, la Construction et l’Inspection des Structures Offshore. Hovik, Norvège : DNV. WorldCat

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Autres articles remarquables

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Conception du boîtier Liste WorldCat

Voir aussi

Tubage et tubage

Conception du boîtier basée sur les risques

PEH:Casing_Design