Un bouchon composite traditionnel comprend un mandrin, un cône supérieur, un élément et un cône inférieur. Le mandrin constitue la structure du bouchon sur laquelle reposent les autres composants. Il est soit usiné avec des profils, soit muni de pièces supplémentaires pour contraindre les composants lors de la descente, de la mise en place et de la fracturation. Les mâchoires sont conçues pour interagir avec le cône : lorsqu'elles sont serrées l'une contre l'autre, elles se déplacent vers l'extérieur pour entrer en contact avec le tubage. Leurs bords trempés sont conçus pour s'ancrer dans le tubage et le bloquer en place. Les mâchoires peuvent être un anneau complet ou des segments individuels maintenus ensemble par une bande. Dans les deux cas, elles sont conçues pour rester solidaires jusqu'à ce que la séquence de mise en place les sépare, leur permettant ainsi de remonter le long du cône et de se fixer dans le tubage.
Pour un bouchon de fracturation, conçu pour résister uniquement à la pression exercée par le haut, la mâchoire inférieure est dimensionnée pour supporter la pleine force de la fracturation, tandis que la mâchoire supérieure est conçue pour maintenir le bouchon, et plus particulièrement son élément, comprimé après sa mise en place. Cet élément est conçu pour se comprimer sous la force de mise en place, créant ainsi un joint étanche entre le diamètre intérieur de la paroi du tubage et le mandrin. Ce joint assure l'isolation nécessaire pour séparer le puits en deux parties, permettant ainsi de traiter la zone supérieure séparément. Dans le cas d'un bouchon à bille, une bille est lâchée depuis la surface pour atterrir sur le mandrin et assurer l'isolation.
Le premier test de performance d'un bouchon composite intervient lors de l'opération de pompage. Pour cette séquence, un bouchon composite est assemblé à un ensemble de fond de puits (BHA) comprenant un bouchon, un outil de pose et des perforateurs. Ce BHA est descendu jusqu'au point de départ dans un puits horizontal, puis des pompes sont utilisées pour le déployer à son emplacement final. Durant cette opération, il est crucial que les composants restent assemblés. Les mâchoires doivent rester solidaires, faute de quoi elles entreraient en contact avec le tubage lors du déploiement, remonteraient leur cône et provoqueraient un incident prédéfini.
L'élément doit également rester en place pour éviter le même problème. Avec des éléments en caoutchouc, cela peut s'avérer difficile. Un bouchon standard de 5,5 pouces, par exemple, a un diamètre extérieur de 4-3/8 pouces et le boîtier un diamètre intérieur de 4,778 pouces, ce qui laisse un faible espace entre le bouchon et le boîtier (seulement 0,2 pouce de chaque côté). Selon la vitesse de déplacement du bouchon et le débit du fluide pompé, un important courant de fuite peut se former autour de celui-ci. Plus ce courant de fuite augmente, plus il crée une zone de basse pression autour du bouchon, ce qui peut entraîner son gonflement et son contact avec le boîtier. C'est pourquoi il est essentiel de comprendre la quantité de fluide qui contourne le bouchon lors de son déploiement, et la plupart des fournisseurs fournissent des recommandations concernant la vitesse de déplacement optimale du bouchon pour différents débits de pompage.
La mise en place d'un bouchon est réalisée à l'aide d'un outil de pose explosif. Le fonctionnement des deux principaux types d'outils de pose est détaillé dans les articles précédents (ici et ici). Le mandrin du bouchon est maintenu immobile et ses composants sont comprimés pour mettre l'outil en place. Généralement, l'élément se comprime, puis les mâchoires se rompent et remontent le long des cônes jusqu'à être enfoncées dans le tubage et bloquées. Une fois les mâchoires en place, la force générée par l'outil de pose dépasse la force de cisaillement du matériau de cisaillement du bouchon, et l'outil cisaille le bouchon, le laissant autonome dans le puits. Après la pose, une partie du mandrin est exposée au-dessus des composants nouvellement comprimés. La longueur de cette partie exposée est égale à la quantité de composite située au-dessus de la mâchoire supérieure une fois assemblée, plus la course nécessaire à la mise en place de l'outil.
L'une des contraintes de conception critiques des bouchons composites est la course nécessaire à la mise en place de l'outil. Cette longueur est déterminée par la course de l'outil de mise en place Baker, qui est de 149 mm (5,875") pour le modèle E4-10 et de 219 mm (8,625") pour le modèle E4-20. Si la course requise est supérieure, l'outil de mise en place risque de ne pas se détacher du bouchon.
Dans cette configuration, le fonctionnement de la mâchoire supérieure est crucial juste après la prise. La mâchoire supérieure doit s'ancrer dans le tubage pour bloquer la compression de l'élément et assurer l'étanchéité. Si elle ne fonctionne pas comme prévu, l'élément se détendra et l'étanchéité sera compromise. Il est important de noter que l'élément contribue au maintien de sa propre compression. Sans la force opposée exercée par l'élément sur le cône supérieur, le support nécessaire au maintien de l'ancrage dans le tubage serait insuffisant. Sans cette « contre-pression » de l'élément comprimé, la mâchoire supérieure ne pourrait pas remplir sa fonction.
Après la mise en place, le train de tiges de forage à câble sera utilisé pour perforer le tubage au-dessus du bouchon, puis retiré du puits. L'équipement de fracturation de surface sera ensuite installé. Pour un bouchon à bille, la méthode la plus courante, une bille sera lâchée depuis la surface. Une fois arrivée dans la partie horizontale du puits, elle sera pompée vers le bas pour se poser sur le bouchon, isolant ainsi le puits en deux sections. Lorsque la bille se pose et que la fracturation commence, la pression poussera le mandrin vers le bas jusqu'à ce qu'il entre en contact avec le haut de la mâchoire supérieure. L'étanchéité doit être maintenue pendant le glissement du mandrin à travers l'élément.
Il en résulte une longueur de mandrin sous le bouchon égale à la course plus la hauteur du bas du bouchon. Cela n'affecte pas vraiment le réglage ni les performances de fracturation du bouchon, mais peut avoir un impact sur le fraisage.
Lors de la stimulation, une forte pression s'exerce sur la partie supérieure du bouchon, tandis que la pression est plus faible sur sa partie inférieure. Cette différence de pression détermine la conception du bouchon afin qu'il puisse résister aux forces exercées. Comme illustré ci-dessous, la pression de fracturation s'exerce sur la bille et le mandrin situés au-dessus de l'élément. Sous la bille et l'élément, seule la pression du réservoir s'exerce. Il en résulte une pression d'écrasement exercée sur le mandrin au-dessus du joint. Au niveau du joint, le mandrin doit résister à la pression d'écrasement et à la compression de l'élément.
La partie inférieure du bouchon et du cône doit résister à la force mécanique exercée sur l'élément et le bouchon par la différence de pression. Le fournisseur du bouchon doit utiliser des matériaux d'épaisseurs et de résistances appropriées pour obtenir un bouchon performant dans ces conditions. Généralement, la défaillance d'un bouchon de fracturation traditionnel est due à l'effondrement du cône/mandrin inférieur, ce qui entraîne la perte d'adhérence des parties inférieures. La performance de l'outil dépend de la résistance du composite.
Un autre point crucial pour les concepteurs concerne le comportement de l'élément lors de fortes pressions et températures. L'élément en caoutchouc est flexible et le devient encore davantage sous l'effet de la chaleur. Sous l'effet d'une pression élevée, l'élément en caoutchouc peut se déformer dans le sens de la pression. De nombreux bouchons traditionnels disponibles sur le marché sont équipés d'un système de maintien de l'élément conçu pour se dilater avec celui-ci lors de sa mise en place, puis pour assurer sa stabilité pendant la phase de haute pression de la fracturation.
Si vous êtes intéressé par la série de bouchons de fracturation Vigor Completion Tool ou par d'autres outils de forage et de complétion pour l'industrie pétrolière et gazière, n'hésitez pas à nous contacter pour bénéficier du meilleur support produit et d'une assistance technique optimale.
