Une tête de puits est l'ensemble structurel et contenant de la pression installé à la surface d'un puits de pétrole ou de gaz. Il suspend les colonnes de tubage et de tubage, scelle les espaces annulaires entre eux et fournit le point de connexion contrôlé pour les équipements de forage, de complétion et de production. Chaque puits, depuis un puits de stripping basse pression jusqu'à un puits de gaz profond de 15 000 psi, est géré via sa tête de puits.
Qu’est-ce qu’une tête de puits exactement ?
Une tête de puits est un système empilé de composants à brides et filetés montés au-dessus du puits de forage. Il ne s'agit pas d'une vanne ou d'un raccord unique : il combine des boîtiers, des supports, des bobines et des joints qui supportent le poids de toutes les colonnes de tubage, contiennent la pression du puits de forage et offrent aux opérateurs un chemin contrôlé pour la surveillance et l'intervention.
Pendant le forage, la tête de puits supporte la pile d'obturateurs anti-éruption (BOP). Une fois le puits terminé, le BOP est retiré et un arbre de Noël est boulonné à la même tête de puits pour contrôler la production. La tête de puits doit donc gérer avec la même fiabilité deux phases très différentes de la vie du puits.
Principaux composants d'une tête de puits
Une pile de têtes de puits conventionnelle se compose d'une tête de tubage, de supports de tubage, de bobines de tubage, d'une tête de tubage, d'un support de tubage et d'un arbre de Noël sur le dessus. Chaque composant a une tâche définie et tous sont sélectionnés comme un seul système plutôt que comme des pièces individuelles.
| Composant | Fonction |
|---|---|
| Tête de boîtier | La base de la pile ; soutient le tubage de surface et fournit la première sortie de l'espace annulaire. |
| Support de boîtier | Atterrit et scelle une colonne de tubage à l'intérieur de la tête de tubage ou de la bobine. |
| Bobine de boîtier | Une entretoise qui permet d'accrocher une deuxième ou une troisième colonne de tubage au-dessus de la première. |
| Tête de tube | Supporte le tube de production et scelle l’anneau tube-enveloppe. |
| Cintre pour tubes | Suspend le train de tiges et scelle l’anneau autour de lui. |
| Arbre de Noël | L'ensemble de vanne supérieure qui contrôle le flux de production et permet l'accès au puits. |
Le support de boîtier et le support de tube sont les composants porteurs les plus critiques. Pour les conceptions de puits de milieu de gamme, le Support de boîtier C22 est une sélection courante car elle se charge directement dans une bobine de tête de tubage C22 correspondante et transporte tout le poids du tubage à travers le corps de la tête de puits.
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Une tête de puits fonctionne en transférant les charges des tubages et des tubes dans le sol et en contenant la pression à la surface. Chaque support de tubage convertit le poids vers le bas d'une colonne de tubage en une charge portée par la tête de tubage et la fondation peu profonde autour du puits. Les joints en élastomère et en métal à l'intérieur de la tête de puits bloquent tout chemin de fuite entre les colonnes de tubage, les tubes et l'atmosphère.
Les sorties latérales sur les têtes de boîtier et les bobines permettent aux opérateurs de surveiller la pression dans l'espace annulaire, de faire circuler les fluides et d'injecter des produits chimiques. Dans les installations modernes, des capteurs peuvent être ajoutés pour signaler la pression, la température et l'intégrité du joint en temps réel, afin que surveillance des têtes de puits en temps réel détecte les petits problèmes avant qu’ils ne dégénèrent.
Pressions nominales et normes des têtes de puits
L'équipement de tête de puits est construit selon un petit ensemble de normes internationales, la plus importante étant la spécification API 6A. L'API 6A définit les classes de pression, les classes de température, les classes de matériaux et les exigences de test, afin qu'une tête de boîtier d'un fabricant puisse être combinée en toute sécurité avec un support d'un autre.
| Pression nominale de service | Application typique |
|---|---|
| 2 000 livres par pouce carré | Puits peu profonds à basse pression |
| 3 000 livres par pouce carré | Puits de production conventionnels |
| 5 000 livres par pouce carré | Les puits de milieu de gamme les plus courants |
| 10 000 livres par pouce carré | Puits de gaz et d'injection à haute pression |
| 15 000 livres par pouce carré | Puits haute pression haute température (HPHT) |
| 20 000 livres par pouce carré | Applications HPHT extrêmes et en eaux profondes |
La pression nominale est le premier critère de sélection, mais la classe de matériau compte tout autant. Dans les puits produisant du gaz acide (H2S), les composants doivent résister à la fissuration sous contrainte par les sulfures, c'est pourquoi la classe de matériau est marquée sur chaque corps conforme à l'API. Un Fabricant certifié API appose ces informations sur chaque composant et les inspecteurs les vérifient avant l'installation.
Tête de puits ou arbre de Noël : quelle est la différence ?
La tête de puits et le sapin de Noël sont des équipements distincts, même si les noms sont souvent utilisés de manière interchangeable. La tête de puits est la fondation permanente qui soutient le tubage et scelle le puits. L'arbre de Noël est l'ensemble de vannes monté au-dessus de la tête de tube qui contrôle le flux de production, permet les interventions et agit comme barrière de surface finale.
Dans une complétion, la pile verticale de têtes de tubage et la tête de tubage constitue la tête de puits, et l'arbre se trouve au-dessus d'elle sur l'adaptateur de tête de tubage. Pour les doubles complétions, où deux colonnes de tubage sont produites à partir du même puits, l'arbre doit acheminer les deux colonnes individuellement, c'est pourquoi un assemblage d'arbre de Noël à double tube est utilisé à la place d'un arbre standard à un seul alésage.
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Les conceptions de têtes de puits se sont diversifiées pour correspondre aux méthodes modernes de forage et de complétion. Les principaux types sont :
- Têtes de puits de production conventionnelles pour puits verticaux et déviés standards.
- Têtes de puits de fracturation, conçues pour les hautes pressions et le débit de boues érosives de la fracturation hydraulique.
- Têtes de puits thermiques pour l'injection de vapeur (SAGD, CSS) et puits géothermiques, où la chaleur modifie le comportement du matériau de scellement.
- Têtes de puits ESP, avec un adaptateur de tête de tubulure qui laisse passer le câble de la pompe électrique submersible tout en gardant l'anneau scellé.
- Têtes de puits à double tube pour complétions avec deux chaînes de production parallèles.
- Têtes de puits sous-marines, installées au fond de la mer et exploitées à distance depuis la surface.
Comment choisir la bonne tête de puits
La sélection d'une tête de puits commence par la pression de surface d'arrêt la plus défavorable et le programme de tubage, puis prend en compte les fluides produits et la température de fonctionnement. Utilisez la liste de contrôle suivante :
- Une pression nominale de service égale ou supérieure à la pression de surface maximale attendue.
- Classe de matériaux adaptée à la corrosivité du fluide (H2S, CO2, chlorures).
- Classe de température couvrant les conditions d'écoulement normales et transitoires.
- Tailles des caissons, poids et nombre de chaînes de caissons dans le programme.
- Taille et poids des tubes, et si le support doit supporter une charge de packer.
- Compatibilité des brides, des goujons et des bagues d'étanchéité sur l'ensemble de la pile.
- Soupapes de contre-pression, bagues d'usure, bouchons de test et vis de verrouillage si nécessaire.
Pour un puits de production ordinaire, un ensemble composé d'une tête de tubage, d'une bobine de tubage, d'une tête de tubage et d'un arbre de Noël couvre la plupart des besoins. Le support de tube doit être adapté au programme de tube et un Cintre pour tubes TCM est souvent choisi là où le train de tiges est soutenu et scellé directement au niveau de la tête du tube. Pour les puits complexes ou HPHT, la capacité de charge à chaque support et les performances du joint à chaque interface doivent être vérifiées par l'équipe d'ingénierie du fabricant. Confirmez si la tête de puits est fournie sous forme d'ensemble entièrement testé sous pression ou sous forme de composants détachées pour l'assemblage sur site, car cela affecte à la fois le temps de fabrication et la planification de l'installation.
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Un arbre de Noël est-il considéré comme faisant partie de la tête de puits ?
Techniquement non, mais les deux sont toujours combinés. La tête de puits assure le support et l'étanchéité ; l'arbre de Noël assure le contrôle du flux et l'accès. Les deux sont spécifiés et testés selon la même norme API 6A.
Quelle pression nominale la plupart des puits de production utilisent-ils ?
5 000 psi est la pression de service la plus courante. Les puits peu profonds et à basse pression utilisent souvent 2 000 ou 3 000 psi, tandis que les puits de gaz profonds, d'injection et HPHT nécessitent 10 000 psi ou plus.
Les composants des têtes de puits peuvent-ils être réutilisés ?
Ils peuvent être remis à neuf et recertifiés après des tests de pression et de dimensions, à condition que l'historique complet de charge et de pression soit connu. Les composants dont l'historique est inconnu ne sont pas réutilisés par les opérateurs responsables.
Quelles sont les causes des défaillances des joints de tête de puits ?
Un couple d'installation incorrect, des surfaces d'étanchéité endommagées, des cycles thermiques et une corrosion annulaire en sont les principales causes. De bonnes procédures d'installation et une surveillance de l'état réduisent la plupart de ces risques.
Une tête de puits ne représente qu’une petite partie du coût total d’un puits, mais elle assume l’entière responsabilité d’un fonctionnement sûr et sans fuite. Lorsqu'il est spécifié pour la pression, le matériau et la température corrects, et qu'il est fabriqué selon la norme API 6A par un fournisseur certifié, il protège l'investissement dans le puits pendant toute sa durée de vie. Travailler avec un fabricant qui propose une gamme complète de têtes de boîtier, de supports de boîtier, de têtes de tubes et d'arbres de Noël est également le moyen le plus simple d'éviter les problèmes de compatibilité et les risques d'approvisionnement.
