Un bouchon composite traditionnel contiendra un mandrin, un glissement/cône supérieur, un élément et un glissement/cône inférieur. Le mandrin fournira la structure du bouchon sur laquelle les autres composants « montent » et aura soit des profils usinés, soit des pièces supplémentaires fixées pour contraindre les composants pendant le rodage, la prise et la fracturation. Les glissements sont conçus pour interagir avec le cône de telle sorte que lorsqu'ils sont forcés ensemble, ils se déplacent vers l'extérieur pour toucher le boîtier. Les feuillets auront des bords durcis conçus pour « mordre » dans le boîtier, les verrouillant ainsi en place. Les feuillets seront un anneau complet ou des segments individuels maintenus ensemble par une sorte de bande. Quoi qu'il en soit, ils sont conçus pour rester ensemble jusqu'à ce que la séquence de réglage les sépare, leur permettant de remonter le cône et de s'installer dans le boîtier.
Pour un bouchon de fracturation, conçu pour maintenir uniquement la pression d'en haut, le glissement inférieur sera conçu pour retenir toute la force de la fracturation et le glissement supérieur sera conçu pour maintenir le bouchon, principalement l'élément, comprimé après la prise. L'élément est conçu pour se comprimer sous la force de réglage, créant un joint entre le diamètre intérieur de la paroi du boîtier et le mandrin. Ce scellement assurera l'isolation nécessaire pour séparer le puits en deux parties afin que la zone située au-dessus puisse être traitée de manière discrète. Pour un bouchon à bille, une bille sera larguée de la surface pour atterrir sur le mandrin et compléter l'isolation.
Le premier test des performances d'un bouchon composite a lieu lors de l'opération de pompage. Pour cette séquence, un bouchon composite est constitué d'un ensemble de fond de trou filaire (BHA) qui comprend un bouchon, un outil de pose et des pistolets perforateurs. Ce BHA est descendu jusqu'au point de lancement dans un puits horizontal, puis des pompes sont utilisées pour le déployer à l'emplacement prévu. Au cours de cette opération, il est essentiel que les composants restent tels qu'assemblés. Les feuillets doivent rester ensemble, sinon ils entreraient en contact avec le boîtier lors du déploiement, remonteraient leur cône et créeraient un événement prédéfini.
L’élément doit également rester en place pour éviter le même sort. Avec des éléments en caoutchouc, cela peut être difficile. Le bouchon typique de 5,5", par exemple, a un diamètre extérieur de 4-3/8" et le boîtier a un diamètre intérieur de 4,778", ce qui laisse un petit espace entre le bouchon et le boîtier (seulement 0,2" de chaque côté). En fonction de la vitesse de déplacement du bouchon et du débit du fluide pompé, il peut y avoir de nombreux contournements autour de ce bouchon. À mesure que cette dérivation augmente, elle créera une zone de basse pression autour du bouchon qui pourrait faire gonfler l'élément et entrer en contact avec le boîtier. Pour cette raison, il est essentiel de comprendre la quantité de liquide qui contourne le bouchon pendant le déploiement et la plupart des fournisseurs fourniront des lignes directrices sur la vitesse à laquelle le bouchon doit se déplacer à différents débits de pompe.
Le sertissage d'un bouchon se fait par un outil de pose explosif. Des détails sur le fonctionnement des deux principaux types d’outils de configuration peuvent être trouvés dans les articles précédents ici et ici. Le mandrin du bouchon sera maintenu statique et les composants seront forcés ensemble pour fixer l'outil. Habituellement, l'élément se comprime, puis les feuillets se cassent et remontent les cônes jusqu'à ce qu'ils soient forcés dans le boîtier et verrouillés en place. Une fois les plaquettes réglées, la force générée par l'outil de pose dépassera la force de cisaillement du support de cisaillement du bouchon et l'outil de pose cisaillera le bouchon le laissant autonome dans le puits. Après la prise, une partie du mandrin sera exposée au-dessus des composants nouvellement compressés. La longueur de ce mandrin exposé sera égale à la quantité de composite au-dessus du glissement supérieur tel qu'assemblé, plus la longueur de course requise pour régler l'outil.
L'une des contraintes de conception critiques du bouchon composite est la course nécessaire pour régler l'outil. Cette longueur est régie par la course fournie par l'outil de réglage Baker, qui est de 5,875" pour le E4-10 et de 8,625" pour le E4-20. Si l'outil nécessite une course plus longue que cela, l'outil de pose ne se détachera probablement pas du bouchon.
Les performances du glissement supérieur, avec cette configuration, sont critiques juste après la prise. Le glissement supérieur doit mordre dans le boîtier pour verrouiller la compression dans l'élément et maintenir l'étanchéité. Si le glissement supérieur ne fonctionne pas comme prévu, l'élément pourra se détendre et vous perdrez votre étanchéité. Ce qui est intéressant, c'est que l'élément joue un rôle dans le maintien de sa propre compression. Si l'élément ne créait pas de force opposée sur le cône supérieur, il ne maintiendrait pas le support sous le glissement nécessaire pour rester en prise avec le boîtier. Sans la « contre-pression » de l’élément comprimé, le glissement supérieur ne remplirait pas son rôle.
Après mise en place, le câble BHA sera utilisé pour perforer le tubage au-dessus du bouchon puis retiré du puits. L’équipement de fracturation en surface sera ensuite installé. Pour un plug-in de chute de balle, la majorité de ce qui est exécuté est une balle qui sera lâchée depuis la surface. Une fois atteint la partie horizontale du puits, il sera pompé pour atterrir sur le bouchon, isolant le puits en deux sections. Lorsque la balle atterrit et que la fracturation commence, la pression forcera le mandrin vers le bas jusqu'à ce qu'il interagisse avec le haut de la barbotine supérieure. Le joint doit être maintenu lorsqu'il glisse à travers l'élément.
Il en résulte une longueur de mandrin en dessous du bouchon égale à la course plus le bas du bouchon. Cela n'affecte pas vraiment les composants de prise ou de fracturation des performances du bouchon, mais peut avoir un impact sur le broyage.
Pendant la stimulation, une pression élevée est exercée sur la face supérieure du plug, avec des pressions plus faibles sur la partie inférieure du plug. Cette différence de pression dicte la manière dont le bouchon doit être conçu pour résister aux forces exercées. Comme vous pouvez le voir ci-dessous, la pression de la fracturation s'exerce sur la bille et sur le mandrin au-dessus de l'élément. En dessous de la bille et de l'élément, il n'y a que la pression du réservoir. Il en résulte une pression d'effondrement exercée sur le mandrin au-dessus du joint. Au niveau du joint, le mandrin doit résister à la pression d'effondrement et à la compression de l'élément.
Le glissement inférieur et le cône doivent résister à la force mécanique générée sur l'élément et le bouchon par la différence de pressions. Le fournisseur de bouchons doit utiliser des épaisseurs et des résistances de matériaux pour obtenir un bouchon capable de fonctionner dans ces conditions. En règle générale, la défaillance d'un bouchon de fracturation traditionnel est provoquée par l'effondrement du cône/mandrin inférieur, ce qui fait perdre aux pièces inférieures leur mordant. Les performances de l'outil dépendent de la résistance du composite.
Une autre préoccupation des concepteurs est la performance de l'élément dans des situations de pression et de température élevées. L'élément en caoutchouc est flexible et deviendra encore plus flexible sous des températures chaudes. Lorsqu’une pression élevée est ajoutée au mélange, l’élément en caoutchouc peut s’écouler dans le sens de la pression. La plupart des bouchons traditionnels sur le marché incluent un système de sauvegarde d'élément conçu pour se dilater avec l'élément au fur et à mesure de sa mise en place, puis fournir une structure pour maintenir l'élément en place pendant la phase haute pression de la fracturation.
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Heure de publication : 28 mai 2024
