La Cimentation en Pratique - · PDF fileLa Cimentation en Pratique Forage/Completion - Cimentation des Tubages, Controle et Restauration Jean Philippe Kunetz Well Services TOTAL Global

La Cimentation en Pratique

Forage/Completion - Cimentation desTubages, Controle et Restauration

Jean Philippe KunetzWell Services TOTAL Global Account Manager

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Cimentation PratiqueJPK

La Cimentation en Pratique

La Préparation du Trou et du TubageLes Tubages et Cimentation La Préparation d’une Cimentation Le Programme de Cimentation

La Préparation du Trou et du Tubage

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La cimentation

Le but de la cimentation est de remplacer toute la boue de l'annulaire à cimenter par le laitier de ciment pour :

– isoler les niveaux productifs (gaz, huile, eau),– protéger les niveaux aquifères supérieurs,– consolider le trou foré,– ancrer les colonnes.

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Opération Difficile

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Reasons for Cementing Failures

Improper drilling performance, drilling goal basedCommunication between engineer plans and what takes place on rig often not the samePoor well conditioning, too time dependentInsufficient equipment checksUnskilled personnel, depends on areaPoor running procedures, follow historical traitsUtilization of wrong equipment and materials

All this adds up to lack of planning

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Les Opérations de Cimentation d’unTubage

Forer l’intervalleAtteindre la cote du tubageNettoyer et préparer le trou Habiller et descendre le casingLa cimentation proprement diteTester en pressionRe-forer le ciment

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Drilling the interval

Control of formation pressures– Positive hydrostatic

force opposite the formation

– Mud cake or film

Control of formations– Time

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It is a complicated job to drill an oilwell!

Find a formation with sufficient integrity that when the shoe is cemented in, it will be able to hold pressures required to drill the deeper sections

Picking the right zone to set casing takes detailed study of seismic, electric and mud logging data.

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Casing Point

Confirmation of reaching this point is gained by studying the drilled cuttings

• Get past as many of the weaker zones as possible • Set casing shoe into a firm rock formation

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Reaching the casing point

Mud is conditioned

Hole is cleaned

After wiper trip, drill string assembly is pulled

Casing running begins

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The Casing Running Procedure

The first tool run on the casing string is the Float Shoe, its purpose being to guide the casing into the wellbore.

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Anneau et Sabot

On utilise des anneaux et sabots munis de systèmes anti-retour :

– à bille si le trou est faiblement dévié < 30° – à clapets activés si l'on est très dévié ou

horizontal.

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Anneau et Sabot

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Casing Running - Shoe Track

The next step is to run either 1-2 joints of casing, followed by the float collar, this makes up the “shoe track”. The collar is thread locked onto the joints to prevent backing off during the drillout process

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Position de l’anneau

entre 20 à 50 m du sabot ou déterminée par– Formule approximative V = π x Di x e x L

V (litres) :volume raclé par le bouchon de queueDi(mm) :diamètre intérieur du tubee (mm) :épaisseur du film de boue– e = 1 mm pour une boue normale – e = 1.5 mm pour une boue lourde et visqueuse

L (1000 m) : longueur de la colonne.

Distance Anneau/Sabot (m) = V / Vint du tubage

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Casing Running ProcedureHardware such as centralizers, stop collars, stage tools … are added as the casing is run until finally TD is reached.

Then the cementing process is ready to begin! Pipe movement begins at this point.

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Le centrage de la colonne

Le centrage de la colonne est un élément déterminant pour assurer une bonne cimentation. On doit placer des centreurs :– au droit des zones à cimenter,– au droit des dog-legs,– de part et d'autres des caves,– dans les zones à risques de collage ou à pertes.

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Le centrage de la colonne

Le centrage minimal pour un puits subvertical:– deux centreurs/tube entre l'anneau et le sabot,– un centreur/tube de part et d'autre du réservoir,– deux centreurs/tube au droit du réservoir,– deux centreurs sur l'avant dernier tube dans

l'entrefer,– un centreur/tube sur toute la partie à cimenter avec

un laitier de remplissage,– un centreur rigide sous la casing head housing

pour faciliter la pose sur slip.

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Calcul du taux de centrage

Taux de centrage ou stand off (SO) :– S.O. = e * 100 / (R2-R1)

Taux de centrage recommandé > 80%

Centreurs souples testés a 67 % – ISO 10427:1993 et 10427-1

– API Spec 10D

++

R1

R2

e

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Calcul du taux de centrage

Centrage optimisé par calcul des forces de frottement estimés en descente et remontée. Précision du calcul dépend– du profil du puits,– du calibre,

Calcul de centrage optimisé par logiciel – Dépend de la performance des centreurs– Flambage du casing entre centreurs

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Logiciels de centrage et de frottement

Simulations – donnent une tendance des forces de frottement– aident à optimiser le centrage de la colonne.

Autant plus précises que l'on intégrera :– la géométrie réelle du trou: calibre 4 bras– la déviation réelle du trou: 3-D – la performance des centreurs

Borehole wall

Casing OD

Standoff at CentralizerStandoff between

centralizers

Centralizer 2 Centralizer 1

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Les centreurs

Il existe deux types de centreurs :

– Les centreurs souples – Les centreurs rigides

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Les centreurs souples

Les centreurs souples les plus employésCentreurs a lame souple: – Trous irréguliers– Bon centrage– Adaptés à tous les diamètres– Moins cher

Ils existent aussi en semi rigide et adaptés aux casing rotatifs

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Les centreurs souples

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Les centreurs rigides

Les centreurs rigides– en trou bien calibré et au diamètre nominal– dans des puits très déviés. – sur des casings ou liners rotatifs (ce sont de

parfaits paliers de frictions) – le cas d'espaces annulaires très minces (vissés

entre chaque joint)Ils ont l'avantage de limiter les forces de frottements (pas de running force)

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Les centreurs rigides

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Centreurs semi-rigide

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Les gratteurs

Ils sont destiné à « gratter » la paroi (élimination du cake), mais nécessitent de bouger le casing (rotation et/ou translation)

Deux types:– Rotatifs: lorsque l ’on tourne le casing (en puits

très déviés, avec les liner)– Alternatif: lorsqu ’on pratique le « reciprocating »

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Les gratteurs

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Circulations intermédiaires

– après vissage de l’anneau pour vérifier l'efficacité des soupapes de l'anneau et du sabot,que rien ne bouche l'intérieur des tubes.

– au sabot du cuvelage précédent pour casser les Gels de la boue ,vérifier le remplissage, évacuer des bouchons de gaz......

– au toit du réservoir pour évacuer des bouchons de gaz.......

– sur incident ou augmentation des frottements.

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Calcul débit de circulation

Le débit maximum de circulation avec le tubage

– Q maxi = Q Forage x

Q : DébitVea : Volume de l’espace annulaire

Meme velocités– Premiere approximation seulement

Vea(trou/tubage)Vea(trou/DC)

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Vitesse de descente du casing

La descente du tubage ne doit pas créer dans l'espace annulaire une surpression pouvant induire des pertes de boue (fracturation)Une règle simple est:– Le temps minimum de descente par tube dans le

découvert :– Temps min (s) = (Vext.tubage/Q maxi)x 60 x 1.2

Logiciels– Surge et Swab

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La descente du casing

Pendant toute la descente, il faudra contrôler– l'augmentation de volume boue

doit être égal au volume acier du casing– l'augmentation de poids – l'augmentation des frottements

Des anomalies constatées dans les volumes ou poids entraîneront une circulation.

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Cote Tubage Atteinte

CirculerReciproquer et/ou tourner le casing

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Circulation au fond

nettoyer le puits,optimiser les caractéristiques boue – réduction de la viscosité et de la YV ou k, – diminuer les gels (gel10 < 15 lbs/100 ft2 si la tenue

du puits le permet)– ne pas laisser remonter le filtrat,

vérifier la stabilité du puits, – pas de pertes, pas de gain, éliminer les bouchons

de gaz et diminuer le fond gazeux,diminuer et stabiliser la température de fond

Pret a Cimenter

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Unités de cimentation

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Unités de Cimentation

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Melangeur Offshore

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Unité et Mélangeur

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Colonnes de surface

COLONNES DE SURFACE

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Colonne Technique et de Production

Bouchon de queue(élastomère)

Bouchon de tête(1 ou 2)(élastomère)

Anneauanti-retour

Sabot anti-retour

Definition du Materiel– Pression, temperature

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La cimentation à double étage (DV)

Une DV est utilisée pour permettre la cimentation dans le cas de:

– zone à perte – zone à densité équivalente faible – hauteur à cimenter très importante– grande différence de température,– volume de laitier trop important (logistique)

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Two-Stage Cementing

True

– Reduce breaking down a weak formation

False

– Minimise cement contamination

– Reduce Cost

Cons– Does not reduce the

quantity of cement

– Two cementing operations

– Circulate between stages

– Additional rig time

– Weak point in casing

– Leak in casing

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Regular Two-Stage Cementing Sequence

FIRST STAGEDISPLACEMENT

WASH AHEADSPACER

FIRST STAGESLURRY WITHEXCESSCEMENT

DISPLACEMENTFLUID

OPENING BOMBSEATED

IN STAGE COLLAR

OPENINGBOMB

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Two Stage Cementing (continued)

PORTSOPENED

CEMENTBASKET

FIRSTSTAGEEXCESSSLURRY

CIRCULATING UPPER SECTION FIRST STAGE

CEMENTING SEQUENCE

COMPLETED START OF SECOND STAGE

1500 psi

STAGE COLLAR CLOSED

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Cimentation Double Etage

Premier étage cimenté jusqu’ a DV

Sinon utiliser Packer Annulaire integré dans DV

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Bouchon inférieur (de tête)

Boue

Début de la cimentation:

Largage du bouchon inférieur, ou de tête

Anneau de cimentation

Sabot de cimentation

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Boue

Laitier

Cimentation en cours:

Pompage du laitier de ciment




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Boue

Laitier

Cimentation en cours:

Tout le laitier de ciment a été pompé

Largage du bouchon supérieur, ou de queue.




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Boue

Cimentation en cours

Poursuite du déplacement (la chasse) du laitier de ciment par la boue et le bouchon supérieur

Arrivée du bouchon inférieur sur l’anneau de cimentation, rupture du disque permettant la poursuite de la chasse.

Bouchon supérieur (de queue)

Laitier

Bouchon inférieur (de tête)Anneau de cimentation


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Boue

Cimentation en cours

Poursuite du déplacement (la chasse) du laitier de ciment par la boue et le bouchon supérieur

Arrivée du bouchon inférieur sur l’anneau de cimentation, rupture du disque permettant la poursuite de la chasse.

Bouchon supérieur (de queue)

Laitier

Bouchon inférieur (de tête)Anneau de cimentation


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Le liner

Il offre les avantages suivants: – Pour augmenter le Ø du "tubing" de production– Amélioration des conditions mécaniques et

hydrauliques en forage (colonne mixte de forage).– Réduction du poids au crochet– Possibilité de recouvrir un tubage endommagé à sa

base pour poursuivre le forage– Mise en production par tie-back directement sur le

liner– Réduction des coûts.

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Liner

Taille et Longueur du liner vs. volume de laitier

4 1/2-in. Prod Liner

7-in. Liner

Prod. Packer

9 5/8-in. Prod Csg

13 3/8-in. Csg

18 5/8-in. Csg

24 1/2-in. Csg

30-in. Cond.

5-in. Prod Tbg

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Fin de la Cimentation?

Fin de la cimentation

Le bouchon supérieur arrive sur l’anneau de cimentation

Tout le laitier de ciment est dans l’espace annulaire.

Test en pression de la colonne

Bouchon supérieur (queue)

Boue

Laitier



Bouchon inférieur (tête)

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Test en Pression de la Colonne

Apres la prise du ciment?– Casse de la gaine de ciment (tension)

– Ecrasement du ciment (léger)

– Formation de microannulaire

rock

cement

casing

P,T

rockcement

casing

rock

cement

casing

P,T

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Preconisations de Déplacement

Densité Fluide de Chasse >Densité Fluide Forage Ultérieur

Densité Fluide de Chasse <Densité Fluide Forage Ultérieur

microannulaire

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Tests en pression

En fin de chasse:– pas de dégradation de la gaine de ciment– gain de temps– durée du test 15 mn

Sauf incident

Précautions:– utiliser des anneaux adaptés– optimiser la position de l’anneau – Inclure cette durée dans la pompabilité du laitier

Preparation de laCimentation

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La cimentation

La cimentation est une opération difficile dont la qualité du résultat dépend de très nombreux facteurs :

– l'état du découvert,– du matériel et équipements utilisés,– des fluides mis en oeuvre,– des procédures appliquées.

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La cimentation

Le succès de la cimentation exige le respect d'un ensemble de règles et de procédures .

L'opération de cimentation nécessite une organisation très précise: toutes les personnes impliquées doivent connaître les détails de l'opération et son rôle.

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Préparation de la cimentation

Maximum d'informations sur l'état du puits et l'historique du forage.– la coupe lithologique,– la déviation du puits,– la géométrie du trou,– la température statique du puits BHST– type de boue et caractéristiques– zone fragile du découvert (cote/gradient fracturation)– Position du réservoir (cote/pression pore)

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Préparation de la cimentation

Il s'agit de déterminer :

– le top ciment,– la caractéristique des fluides (spacer et laitier),– le régime de déplacement,– le volume de spacer.

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Le top ciment

Le but de la cimentation est :– consolider le trou,– isoler les niveaux productifs (gaz, huile, eau),– supporter et mettre en tension les cuvelages.

La longueur cimentée doit être :– au minimum de 200 m – le top ciment doit se situer 150 m au dessus du

niveau productif le plus haut

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Le top ciment

Cimentation jusqu’au tubage précédent nécessaire que pour abandon définitif du puits Cimentation de l'entrefer envisagée plus tard si – le gradient de fracturation est trop faible,– longueur à cimenter – quantité de ciment,– logistique,– temps...

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La densité

En puits vertical ou faiblement dévié :– écart de densité ciment/boue aussi élevé que

possible,densité du spacer = densité boue + 10 pointsdensité du laitier = densité boue + 40 points

En puits horizontaux ou très dévié :– écart de densité ciment/boue aussi faible que

possible

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Les spacers

Le fluide le mieux déplacé par le ciment est l'eau. L'utilisation d'un spacer est obligatoire chaque fois que le laitier peut être contaminé par la boue.

Les différents spacers:– les bouchons laveurs– les bouchons déplaceurs

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Le bouchon laveur:

Le bouchon laveur sera – de l'eau + surfactants pour une boue à l'eau – de l'huile de base suivi d’eau + surfactant pour

une boue à l'huile.Du fait de sa faible rhéologie il sera en régime turbulent à faible débit et créera une dilution de la boue.On vérifiera systématiquement la perte de hydrostatique engendrée par ce bouchon.

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Le Spacer Déplaceur

– Spacer doit être compatible avec boue et laitier.Des tests de compatibilité doivent être fait pour vérifier si la rhéologie des mélanges est acceptable.

– Le fluide de base du spacer sera le même que celui du laitier de ciment

la salinité du spacer doit être identique qualitativement et quantitativement à celle du laitier

– La rhéologie intermédiaire entre celle de la boue et du laitier

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Optimisation du volume des spacers

le volume du bouchon laveur :– 50 à 100 m d'espace annulaire.

le volume du bouchon déplaceur :– 150 m d'espace annulaire pour 500 m de hauteur

de ciment – + 20 m par 100 m

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Tête de cimentation

– Tête de cimentation standard à double bouchons

– Elle sera munie d'un raccord rapide ("quick coupling") vissable par les clefs de tubage.

– La tête de cimentation sera mise en place et testée au début de la circulation

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Les bouchons de cimentation

Utiliser au minimum deux bouchons :– un bouchon de tête (avant ciment ou spacer),– un bouchon de queue (après ciment).

Utilisation de 3 bouchons dans le cas de casing très long pour réduire la contamination dans le casing :– un bouchon de tête (avant spacer),– un bouchon de tête (avant ciment),– un bouchon de queue (après ciment).

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Top Plug (Solid) Bottom Plug (Hollow Inside)

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Test en Pression

Surface étanchéité

Ecrasement du bouchon

Température

Fluide

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Calcul du volume de chasse

Tolérance des casings– Dia externe/épaisseur

– Mesure systématique /statistique /aléatoire

Rendement des pompes

Compressibilité de la boue– Type d’huile, densité,

température, profondeur

Déterminer l’instant de l’à-coup de pression– Eviter sur-déplacement

– Impact sur anneau

– Test en pression du casing

– Reforage ciment

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La tolérance de fabrication

La tolérance de fabrication des casings n'est jamais prise en compte dans le calcul de chasse or, elle est :– sur le diamètre extérieur + 1 % , - 0,5 %,– sur l'épaisseur 0, - 12,5 %.

Volume donné est le volume Nominal avec tolérance sur l'épaisseur de Zéro– le volume intérieur du tubage est obligatoirement

plus grand.

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Le rendement des pompes

Le rendement des pompes, s'il n'est pas facile à calculer sera déterminé

– par expérience (rendement des pompes lors des chasses des cimentations précédentes)

– des débits réels durant la circulation avant tubage– débitmètre

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La compressibilité de la boue

La compressibilité de la boue est rarement prise en compte dans les calculs de chasseExemple :DP en fin de chasse 80 bars,– Volume de chasse 100 m3,– Compressibilité de boue 3 à 5 L/100 m3/bar.– Le volume de compressibilité : 80 x 5 = 400 litres

Eau et tubage 9 5/8-in. – 180 L a 1000 m mais 720 L a 2000 m

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Pourquoi un volume de chasse précis

L’à-coup de pression (le bouchon de queue arrive sur l ’anneau) arrive à la fin de la chasse.Il faut prédire précisément cet instantCar on arrête obligatoirement la chasse au volume théorique de chasse + x m³ (x< volume entre anneau et sabot)Si erreur sur V chasse, et que le bouchon n ’est pas parti (ou s ’est sifflé en cours de descente) �sur ou sous-déplacement

Programme deCimentation

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Programme de cimentation

1 Type de laitier, régime de mise en place, type de spacer2 Calcul des volumes et du temps d ’opération2 Caractéristiques du laitier: test de laboratoire4 Préparation finale: calculs et simulations5 Les premiers contrôles rapides

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1 Type de laitier …Il faut connaître son puits– la coupe lithologique,– la déviation du puits,– la géométrie du trou,– type de casing à cimenter– la température statique du puits BHST

calcul BHCT– type de boue et caractéristiques– zone fragile du découvert (cote et gradient de fracturation)

– Position du réservoir (cote et pression de pore)

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2 Caractéristiques du laitier, spacer

Test labo sur le laitier– Densité

– Filtrat

– Eau libre

– Rhéologie

– Temps de pompabilité

– Eventuellement

Developpementrésistance…

Type de spacer– Nombre

– Densité

– Rhéologie

– Volume

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3 Calculs Préparatifs

calcul des volumescalcul de la quantité de cimentcalcul du volume d’eau de gâchagecalcul de la quantité d’additifscalcul du volume de chasseestimation de la durée de l’opération– évaluation du temps de pompabilité

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4 Calculs et Simulations finaux

But: – avec densité & rhéologie des fluides– vérification du régime de déplacement– vérification des pressions dans la puits

Outils: – Simulation de l ’effet de tube en U avec des

logiciels– Accomplissement des conditions de déplacement– Eventuellement simulateur numérique

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Les logiciels de cimentation

Chacune des 3 sociétés majeures de cimentation possède un logiciel de Design de cimentation

– BJ CMFACTSP– Schlumberger CemCADE– Halliburton CJOBSIM

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Les logiciels de cimentation Elf

Cimentelf calcul de mise en placeECDELF hydraulique forage et cimentation

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Les simulations: un exemple

Puits Deepwater: 1350m d ’eau

Forage 12 1/4 élargi en 14 3/4 (1944m - 2640m): déviation maxi 50°

Casing 10 3/4 (suspension à 1350m): descente avec tiges

Boue (huile) et spacer (eau + détergent) d=1.12 sg

Laitier d =1.60 sg

Contraintes: faibles gradients de fracturation du terrain et basses températures

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Les simulationsECD at bottom and last casing shoe vs time

1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

1.350

1.400

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30Time (h:mn)

ECD

(sg)

ECD at present casing shoe ECD at last casing shoeFracture gradient at : 2070 m Fracture gradient at shoePore pressure at bottom

copyright EEP

ECDELF 3.0

Top ciment: 1900m – 1200L/min

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Les simulationsFlow in & out vs vs time

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0:00 0:14 0:28 0:43 0:57 1:12 1:26 1:40 1:55 2:09 2:24

Time (h:mn)

Flow

rate

(l /

min

)

Flow out Flow in

copyright EEP

ECDELF 3.0


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1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

1.350

1.400

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30Time (h:mn)

ECD

(sg)


copyright EEP

ECDELF 3.0


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Les simulationsFlow in & out vs vs time

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0:00 0:28 0:57 1:26 1:55 2:24 2:52 3:21 3:50 4:19

Time (h:mn)

Flow

rate

(l /

min

)

Flow out Flow in

copyright EEP

ECDELF 3.0

Top ciment: 2070m – 800L/min baisse à 400 L/min les 40 derniers m³

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1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

1.350

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00Time (h:mn)

ECD

(sg)


copyright EEP

ECDELF 3.0

Top ciment: 2070m – 800L/min baisse à 400 L/min les 40 derniers m³

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Séquence de pompage optimisée

Injected fluid Flow rate Volume Duration Cumul. volume Cumul. timel / min m³ hr:mn:s m³ hr:mn:s

Spacer 1 700 20.00 0:28:34 20.00 0:28:34STOP 0:05:00 20.00 0:33:34slurry 700 30.94 0:44:12 50.94 1:17:47STOP 0:05:00 50.94 1:22:47

Displacing fluid 300 4.00 0:13:20 54.94 1:36:07Displacing fluid 700 62.27 1:28:57 117.21 3:05:04Displacing fluid 400 7.00 0:17:30 124.21 3:22:34Displacing fluid 200 8.00 0:40:00 132.21 4:02:34

Pumping sequence

Top ciment à 2070m

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1.000

1.050

1.100

1.150

1.200

1.250

1.300

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30Time (h:mn)

ECD

(sg)


copyright EEP

ECDELF 3.0

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Les simulations: le résultat

Limite Top Ciment au niveau zone fragile (2070 m)Accepte éventuelle pertes de boue à 2070m, car au dessus du top cimentOn optimise au mieux la séquence de pompage:– Limiter les pressions de fond– Maintenir débit ‘acceptable’ pour bon déplacement– Limiter le temps de l ’opération:

limite du coût, prise plus rapide aux basses températures (ciment moins retardé)

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Premiers Controles Rapides

Avant la cimentation – Inventaire des Produits – Propreté equipement (bac

chantier) – Volumes morts – Bouchons et tete– Vérifier Calculs – Sécurité et Organisation– Préparer fluides tampon– Préparer eau de gachage– Echantillonage– Test Lignes

Pendant et apres – Tete et Bouchon– Densité laitier – Echantillonage– Tete et Bouchon– Débit chasse– Volume retour – Pression Tete – Volume de chasse– Pression en fin d’opération – Volume retour– Inventaire

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Controles Eventuels Ultérieurs

Job Signature et Play-backDiagraphies– Sonique– Ultra-sonique

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RESUME

La Préparation du Trou et du TubageLes Tubages et Cimentation La Préparation d’une Cimentation Le Programme de Cimentation

Documents

La Cimentation en Pratique - · PDF fileLa Cimentation en Pratique Forage/Completion - Cimentation des Tubages, Controle et Restauration Jean Philippe Kunetz Well Services TOTAL Global