FR2897664A1

FR2897664A1 - Garnitures d'etancheite et procede d'utilisation.

Info

Publication number: FR2897664A1
Application number: FR0701213A
Authority: FR
Inventors: Pierre Yves Corre; Philippe Hocquet; Stephane Metayer
Original assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2007-08-24
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: CA2577573A1; FR2897664B1; US20070193736A1; CA2577573C; US7510015B2

Abstract

[0036] Des garnitures d'étanchéité expansibles et des procédés d'utilisation de ces dernières sont décrits. Les garnitures d'étanchéité expansibles comprennent une couche anti-extrusion comprenant une couche fibreuse ayant une première surface adjacente à une surface externe d'un élément élastomère expansible interne, et une couche de câbles adjacente à la couche fibreuse, la couche de câbles comprenant une pluralité de couches de câbles unidirectionnelles empilées. La couche de câbles est adaptée pour former une barrière sensiblement dépourvue d'espaces à travers lesquels l'élément élastomère interne s'extruderait sinon lors de l'expansion de l'élément élastomère interne. Cet abrégé permet à un chercheur ou autre lecteur de déterminer rapidement l'objet de la divulgation. Il ne sera pas utilisé pour interpréter ou limiter la portée ou la signification des revendications.

Description

GARNITURES D'ÉTANCHÉITÉ ET PROCÉDÉS D'UTILISATION

Arrière-plan de l'Invention 1. Domaine de l'Invention

1] La présente invention concerne d'une manière générale le domaine des outils de garniture de puits de forage (autrement appelés garnitures d'étanchéité), et, plus spécifiquement, des garnitures d'étanchéité expansibles et des procédés d'utilisation de ces dernières dans diverses opérations de puits de pétrole et de gaz. 2. Technique apparentée

2] Les garnitures d'étanchéité expansibles ou gonflables sont bien connues dans l'industrie pétrolière et sont utilisées depuis des dizaines d'années pour l'isolement de zones, le contrôle du rapport gaz/pétrole, les services de garniture double, le traitement des formations, les opérations d'expérimentation et analogues. Ces garnitures d'étanchéité sont utilisées pour bloquer l'écoulement des fluides à travers l'espace annulaire entre le tube et la paroi du puits de forage adjacent ou tubage par scellement étanche de l'espace entre eux et sont placées dans un puits de forage pour isoler différentes zones d'intérêt ou de production. [0003] La plupart des garnitures d'étanchéité expansibles actuelles sont faites d'une membrane élastomère pour l'étanchéité supportée sur une structure métallique pour la résistance mécanique. Les garnitures d'étanchéité expansibles actuelles sont des assemblages de nombreux éléments différents, tels que des câbles en acier, des manchons, des jupes et des couches de support en fibres, ces dernières comprenant des matières telles que les fibres de polyaramide connues sous la désignation de marque KevlarTM, disponibles auprès de DuPont, pour une antiextrusion, réunies de façon mécanique à un élément de garniture d'étanchéité élastomère. De telles structures fournissent un corps composite d'un seul tenant permettant l'intégration de lames de support en fibres ou métalliques à l'intérieur du corps d'un seul tenant pour fournir une résistance à l'extrusion et une résistance (voir, par exemple, la demande américaine copendante du cessionnaire numéro de série 11/257 565, déposée le 25 octobre 2005). Etant donné que le support d'expansion est obtenu par le positionnement laminaire des fibres ou lames de support, la connexion mécanique à ces structures de support est rendue minimale et la résistance de la garniture d'étanchéité est améliorée. Des garnitures d'étanchéité expansibles de cet agencement peuvent être composées d'un élément d'étanchéité interne, d'une structure mécanique intégrée et d'une couche élastomère externe pour l'étanchéité. Le système de support peut être fait entièrement d'un matériau composite et ainsi intègre les éléments de support mécaniques à l'intérieur d'une structure laminaire du corps composite.

4] Bien que ces agencements améliorés diminuent l'extrusion de l'élément élastomère interne, d'autres problèmes demeurent. L'un des problèmes se manifeste aux températures élevées, où la couche de caoutchouc interne peut être sujette à une extrusion à travers n'importe quelle structure mécanique lorsque la garniture d'étanchéité est gonflée. Pour des garnitures d'étanchéité expansibles ayant des lames, les lames fournissent en général une bonne protection contre l'extrusion de l'élastomère sous-jacent à travers les lames ; cependant, l'élastomère peut présenter une récupération de dimension inacceptable après gonflage et dégonflage en raison de la déformation permanente des lames, et d'un coefficient de frottement élevé entre les lames, rendant le gonflage/dégonflage difficile à pression hydrostatique élevée. Les garnitures d'étanchéité à câbles n'ont pas les problèmes de déformation permanente, et le gonflage/dégonflage est plus aisé ; cependant ces garnitures d'étanchéité ont le problème qu'à température élevée/pression de gonflage élevée, l'élément de caoutchouc interne est susceptible de s'écouler à travers des fenêtres existant entre les câbles après gonflage. Certains moyens sont actuellement utilisés pour empêcher cette extrusion, tels qu'une couche de fibres d'aramide ou une couche de câbles de petit diamètre disposée entre une couche de renforcement et l'élément élastomère interne. Alors qu'il peut y avoir des améliorations dans certains environnements, un problème avec les câbles de petit diamètre est qu'ils n'offrent pas de couverture suffisante après l'expansion de la garniture d'étanchéité, laissant certains espaces à travers lesquels l'élastomère peut s'extruder. Un problème avec les couches anti-extrusion à base de fibres d'aramide est que les fibres d'aramide, telles que le KevlarTM, peuvent devenir endommagées par une contrainte mécanique et/ou une température élevée.

5] Par conséquent, alors qu'il y a eu certaines améliorations faites dans l'agencement de garnitures d'étanchéité expansibles pour empêcher l'extrusion de la couche élastomère interne, une nouvelle amélioration est souhaitée.

Résumé de l'Invention [0006] Conformément à la présente invention, des garnitures d'étanchéité expansibles et des procédés d'utilisation sont décrits qui réduisent ou surmontent les problèmes dans les garnitures d'étanchéité expansibles et les procédés préalablement connus. [0007] Les garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention comprennent, en plus des connexions d'extrémité non expansibles standards, un élément élastomère interne expansible, une couche anti-extrusion et un élément d'étanchéité externe supporté sur une structure métallique, la couche anti-extrusion comprenant : (a) une couche fibreuse ayant une première surface adjacente à une surface externe de l'élément élastomère expansible interne, qui peut être composée de fibres d'aramide, telles que le KevlarTM ; et (b) une couche de câbles adjacente à la couche fibreuse, la 10 couche de câbles comprenant une pluralité de couches de câbles unidirectionnelles empilées, la couche de câbles étant adaptée pour prendre la forme d'une barrière sensiblement dépourvue d'espaces à travers lesquels l'élément élastomère interne s'extruderait sinon 15 lors de l'expansion de l'élément élastomère interne.

8] Dans certains modes de réalisation, les câbles dans la couche de câbles peuvent avoir des diamètres suffisants pour permettre aux câbles de se déplacer les uns par 20 rapport aux autres si nécessaire pour former la barrière sensiblement dépourvue d'espaces. Les câbles dans la couche de câbles peuvent ou peuvent ne pas être homogènes en diamètre. Le diamètre des câbles peut se situer dans la plage d'environ 0,5 à 5 mm, par exemple. Les câbles 25 peuvent être positionnés avec le même angle par rapport à un axe longitudinal de la garniture d'étanchéité, de telle sorte qu'ils forment une couche homogène après expansion, sans aucun espace entre deux câbles. Le nombre de couches unidirectionnelles dans la couche de câbles est dépendant 30 du rapport d'expansion attendu, mais peut se situer dans la plage allant de deux couches jusqu'à 10 couches ou davantage si nécessaire. Lorsque le rapport d'expansion de la garniture d'étanchéité est égal ou inférieur à 100%, deux couches de câbles peuvent être suffisantes. Lorsque 35 le rapport d'expansion est entre 100 et 200%, il peut y avoir besoin de trois couches de câbles. Des rapports d'expansion supérieurs peuvent nécessiter plus de trois couches de câbles.

9] La couche fibreuse est positionnée entre la couche de câbles et l'élément élastomère interne. Dans certains modes de réalisation, les fibres composant la couche fibreuse peuvent former une couche unidirectionnelle qui a une direction identique ou différente par rapport aux câbles dans la couche de câbles. Toutes les fibres peuvent être positionnées côte à côte, sans croisement. Plus d'une couche fibreuse unidirectionnelle peut être employée. Lorsque de multiples couches fibreuses sont employées, les fibres composant les différentes couches peuvent être orientées différemment ; par exemple, la première couche fibreuse peut être disposée de façon hélicoïdale, faisant un angle de 7 avec l'axe longitudinal de la garniture d'étanchéité, tandis que d'autres couches peuvent être sensiblement parallèles à l'axe longitudinal de la garniture d'étanchéité. La seconde couche peut être positionnée sur la première, avec un angle différent. Par exemple, cet angle peut être de -7 . Dans certains modes de réalisation, il peut être utile d'avoir des couches fibreuses supplémentaires, chaque couche ayant un angle spécifique. [0010] Lorsque l'élément élastomère interne des garnitures d'étanchéité de l'invention est expansé, des espaces peuvent apparaître entre des parties de la structure mécanique supportant l'élément d'étanchéité externe. Les câbles dans la couche de câbles sont poussés contre cette structure mécanique par la pression de gonflage, qui crée une force perpendiculaire, maintenue par la couche de câbles. La couche fibreuse est poussée contre la couche de câbles par la pression de gonflage. Etant donné que les câbles dans la couche de câbles forment une couche homogène, sans fenêtre, les fibres sont contraintes en compression transversale et subissent peu ou pas de déchirure et pas de contrainte de traction. La contrainte sur la couche fibreuse est bien plus faible que s'il n'y avait pas de couche de câbles, et les garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention peuvent résister à une pression de gonflage bien plus élevée.

1] Les garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention comprennent des dispositifs qui peuvent comprendre un mécanisme de dégagement par traction directe, ainsi qu'un connecteur pour connecter une extrémité des garnitures d'étanchéité à la ligne de tubes enroulés ou au tube raccordé. Encore d'autres modes de réalisation des garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention comprennent une garniture d'étanchéité expansible dans laquelle la partie expansible comprend des brins continus de fibres polymères durcies à l'intérieur d'une matrice d'un corps tubulaire composite d'un seul tenant s'étendant d'une première extrémité non expansible à une seconde extrémité non expansible du corps. D'autres modes de réalisation de garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention comprennent des brins continus de fibres polymères groupées le long d'un axe longitudinal du corps de garniture d'étanchéité expansible parallèlement aux coupes longitudinales dans une partie intérieure laminaire du corps expansible pour faciliter l'expansion de la partie expansible du corps tubulaire composite d'un seul tenant. Certains autres modes de réalisation des garnitures d'étanchéité expansibles de la présente invention comprennent une pluralité d'éléments de renforcement se chevauchant, faits à partir d'au moins l'un du groupe consistant en alliages de résistance élevée, polymères et/ou élastomères renforcés par des fibres, polymères et/ou élastomères renforcés par des nano-fibres, des nanoparticules et des nano-tubes. Encore d'autres modes de réalisation des garnitures d'étanchéité expansibles de la présente invention comprennent ceux dans lesquels les éléments de renforcement ont une extrémité inclinée adjacente à la première extrémité non expansible et adjacente à la seconde extrémité non expansible pour permettre l'expansion de la partie expansible du corps tubulaire. Un autre mode de réalisation de la présente invention comprend une garniture d'étanchéité expansible dans laquelle l'angle des parties d'extrémité de renforcement est d'environ 54 par rapport à l'axe longitudinal du corps de garniture d'étanchéité expansible. [0012] Un autre aspect de l'invention consiste en procédés d'utilisation des garnitures d'étanchéité de l'invention, un procédé de l'invention comprenant les opérations consistant à : (a) faire passer une garniture d'étanchéité de l'invention 15 à une profondeur dans un puits de forage sur une ligne de tubes enroulés ou un tube raccordé ; et (b) gonfler l'élément élastomère interne et amener l'élément d'étanchéité externe à s'expanser contre un puits de forage, ce par quoi l'élément élastomère 20 interne est réduit ou empêché s'extruder dans la structure de support.

3] Les procédés de l'invention comprennent ceux comprenant le dégagement de la garniture d'étanchéité à 25 partir du puits de forage, les éléments élastomères internes retournant sensiblement à leur forme initiale. D'autres procédés de l'invention sont ceux comprenant l'opération consistant à faire passer la garniture d'étanchéité à un autre emplacement dans le puits de 30 forage, et à répéter l'étape (b). D'autres procédés de l'invention comprennent, avant l'étape (a), l'opération consistant à sélectionner un nombre de couches de câbles pour la couche de câbles suffisant pour créer la barrière de l'étape (c) sur la base d'un rapport d'expansion attendu 35 pour la garniture d'étanchéité à l'étape (b), et d'autres procédés comprennent le calcul d'un rapport d'expansion attendu avant la sélection du nombre de couches de câbles. [0014] Ces caractéristiques ainsi que d'autres caractéristiques du dispositif et des procédés de l'invention ressortiront davantage à la lecture de la brève description des dessins, de la description détaillée de l'invention et des revendications qui suivent.

Brève Description des Dessins [0015] La façon dont les objectifs de l'invention et d'autres caractéristiques souhaitables peuvent être obtenus est expliquée dans la description suivante et les dessins annexés sur lesquels : [0016] La Figure 1 est une vue en coupe schématique d'une garniture d'étanchéité expansible selon un mode de réalisation de l'invention ;

7] La Figure 2 est une vue en coupe schématique d'une 20 partie de la garniture d'étanchéité expansible de la Figure 1 illustrant une couche anti-extrusion selon l'invention ;

8] La Figure 3 est une vue en coupe schématique d'une partie de la garniture d'étanchéité expansible de la Figure 25 1, illustrant la façon dont une couche anti-extrusion selon l'invention agit pendant l'expansion pour limiter la contrainte de traction sur une partie fibreuse de la couche anti-extrusion ; et

30 [0019] La Figure 4 est une vue en perspective, avec des parties arrachées, d'une garniture d'étanchéité expansible de l'invention, illustrant une orientation différente de deux couches fibreuses, conformément à un mode de réalisation de l'invention. 35 [0020] Cependant, il doit être noté que les dessins annexés ne sont pas à l'échelle et illustrent seulement des modes de réalisation typiques de cette invention, et ne doivent donc pas être considérés comme en limitant la portée, car l'invention peut admettre d'autres modes de réalisation tout aussi efficaces. Description Détaillée

1] Dans la description suivante, de nombreux détails sont énoncés pour fournir une compréhension de la présente 10 invention. Cependant, il sera entendu par l'homme du métier que la présente invention peut être mise en pratique sans ces détails et que de nombreuses variantes ou modifications des modes de réalisation décrits peuvent être possibles. 15 [0022] Toutes les expressions, dérivations, alliances de mots et expressions à plusieurs mots utilisées ici, en particulier dans les revendications qui suivent, sont expressément non limitées aux noms et verbes. Il est 20 manifeste que les significations ne sont pas juste exprimées par des noms et verbes ou de simples mots. Les langues utilisent une diversité de façons pour exprimer un contenu. L'existence de concepts inventifs et les façons dont ceux-ci sont exprimés varie dans les cultures des 25 langues. Par exemple, de nombreux composés lexicaux dans les langues germaniques sont souvent exprimés sous la forme de combinaisons adjectif-nom, de combinaisons nompréposition-nom ou des dérivations dans les langues romanes. La possibilité d'inclure des expressions, des 30 dérivations et des alliances de mots dans les revendications est essentielle pour des brevets de haute qualité, rendant possible de réduire les expressions à leur contenu conceptuel, et toutes les combinaisons conceptuelles possibles de mots qui sont compatibles avec 35 un tel contenu (soit dans une langue soit à travers des langues) sont destinées à être comprises dans les expressions utilisées.5 [0023] L'invention décrit des garnitures d'étanchéité expansibles et des procédés d'utilisation de celles-ci dans des puits de forage. Un puits de forage peut être n'importe quel type de puits, comprenant, mais sans y être limité, un puits de production, un puits de non-production, un puits expérimental, un puits d'exploration et similaires. Les puits de forage peuvent être verticaux, horizontaux, inclinés d'un certain angle entre la verticale et l'horizontale, déviés ou non déviés, et des combinaisons de ceux-ci, par exemple un puits vertical avec un composant non vertical. Bien que des garnitures d'étanchéité expansibles existantes aient été améliorées au cours des années, ces agencements améliorés ont laissé certains problèmes à défier concernant l'extrusion de l'élément élastomère interne. Un problème se manifeste aux températures élevées, où l'élément ou la couche élastomère interne peut être sujet à une extrusion à travers n'importe quelle structure mécanique lorsque la garniture d'étanchéité est gonflée. Pour les garnitures d'étanchéité expansibles ayant des lames, les lames fournissent en général une bonne protection contre l'extrusion de l'élastomère sous-adjacent à travers les lames ; cependant, l'élastomère peut présenter une récupération de dimension inacceptable après le gonflage et le dégonflage en raison de la déformation permanente des lames, et d'un coefficient de frottement élevé entre les lames, rendant le gonflage/dégonflage difficile à pression hydrostatique élevée. Les garnitures dites garnitures d'étanchéité à câbles , garnitures expansibles ayant des câbles de grand diamètre dans celles-ci pour supporter structuralement l'élément d'étanchéité externe, n'ont pas les problèmes de déformation permanente, et le gonflage/dégonflage est plus aisé ; cependant, les garnitures d'étanchéité à câbles existantes ont le problème qu'à température élevée/pression de gonflage élevée, l'élément de caoutchouc interne est susceptible de s'écouler à travers des fenêtres (espaces) existant entre les câbles après le gonflage. Certains moyens sont actuellement utilisés pour empêcher cette extrusion, tels qu'une couche de fibres d'aramide ou une couche de câbles de petit diamètre disposée entre une couche de renforcement et l'élément élastomère interne. Alors qu'il peut y avoir des améliorations dans certains environnements, un problème avec les câbles de petit diamètre est qu'ils n'offrent pas de couverture suffisante après l'expansion de la garniture d'étanchéité, laissant encore certains espaces à travers lesquels l'élastomère peut s'extruder. Un problème avec les couches antiextrusion à base de fibres d'aramide est que les fibres d'aramide, telles que le KevlarTM, peuvent devenir endommagées par une contrainte de traction mécanique et/ou une température élevée, et ainsi se dégrader au cours du temps. Ainsi, il y a un besoin continu pour des garnitures d'étanchéité expansibles et des procédés qui s'attaquent à un ou plusieurs des problèmes qui sont énoncés ci-dessus. [0024] Si l'on se réfère aux dessins en détail, la Figure 1 montre un diagramme schématique, non à l'échelle, d'une garniture d'étanchéité expansible de l'invention ayant un perçage longitudinal à travers celle-ci conformément à un mode de réalisation de l'invention. La garniture d'étanchéité a des première et seconde extrémités non expansibles lA et 1B, et un corps expansible composé d'un élément élastomère interne 2, d'une couche fibreuse 3, d'une couche de câbles 4 et d'un support structural 5 qui supporte un élément d'étanchéité élastomère externe 6.

L'élément élastomère interne 2 et l'élément d'étanchéité 6 peuvent comprendre un matériau composite ou un mélange de composites, comprenant une ou plusieurs couches élastomères laminées pour permettre l'expansion de la garniture d'étanchéité lors de l'application d'une pression de fluide interne. L'élément 2 et l'élément d'étanchéité 6 peuvent être construits sous la forme d'une seule pièce de composite ou de plusieurs sections de matériau composite qui peuvent être feuilletées ensemble avant le durcissement et la prise des résines composites. Le composite peut être fabriqué avec une pluralité de fibres individuelles (non représentées) s'étendant de la première extrémité lA à la seconde extrémité 1B disposées longitudinalement autour du corps. Les fibres peuvent être positionnées pendant la fabrication pour qu'il n'y ait pas de discontinuité mécanique entre les sections expansibles et non expansibles de la garniture d'étanchéité. Ces fibres continues, introduites de la première extrémité lA de la garniture d'étanchéité à l'extrémité opposée 1B, fournissent un support substantiel à la garniture d'étanchéité entièrement expansée. [0025] La partie expansible de la garniture d'étanchéité expansible est positionnée entre la première lA et la seconde 1B extrémités non expansibles de la structure. Chaque extrémité lA et 1B du corps 10 de la garniture d'étanchéité peut être adaptée pour être attachée dans un train de tiges tubulaire. Ceci peut se faire par une connexion filetée, un ajustement par frottement, des moyens d'étanchéité expansibles et similaires, le tout d'une façon bien connue dans les techniques des outils de l'industrie pétrolière. Bien que l'expression train de tiges tubulaire soit utilisée, celle-ci peut comprendre une ligne de tubes raccordés ou enroulés, un tubage ou n'importe quelle autre structure équivalente pour positionner la garniture d'étanchéité. Les matériaux utilisés peuvent être appropriés pour une utilisation avec un fluide de production ou avec un fluide de gonflage.

6] L'élément d'étanchéité élastomère 6 engage une surface adjacente d'un puits de forage, d'un tubage, d'un tube, d'une ligne de tubes et similaires. D'autres couches élastomères entre les éléments élastomères interne et externe 2 et 6 peuvent être prévues en vue d'une flexibilité supplémentaire et d'un soutien pour l'élément élastomère interne 2. Un exemple non limitatif d'un élément élastomère est le caoutchouc, mais n'importe quelles matières élastomères peuvent être utilisées. Une membrane séparée peut être utilisée avec un élément élastomère si davantage de résistance à l'usure et à la perforation est souhaitée. Une membrane séparée peut être intercalée entre des éléments élastomères si la matière élastomère est insuffisante pour être utilisée seule. La matière élastomère de l'élément d'étanchéité externe 6 devrait être d'une dureté au duromètre suffisante pour un contact expansible avec un puits de forage, un tubage, un tube ou une surface similaire. La matière élastomère devrait être d'une élasticité suffisante pour revenir à un diamètre inférieur à celui du puits de forage pour faciliter le retrait à partir de celui-ci. La matière élastomère devrait faciliter le scellement étanche du puits de forage, du tubage ou du tube à l'état gonflé.

7] Elastomère , tel qu'utilisé ici, est un terme générique pour des substances rivalisant avec le caoutchouc naturel par le fait qu'elles s'étirent sous tension, ont une résistance à la traction élevée, se rétractent rapidement, et reviennent sensiblement à leurs dimensions initiales. Le terme englobe les élastomères naturels et artificiels, et l'élastomère peut être un élastomère thermoplastique ou un élastomère non thermoplastique. Le terme englobe des mélanges (mélanges physiques) d'élastomères, ainsi que des copolymères, terpolymères et multi-polymères. Des exemples comprennent le polymère éthylène-propylène-diène (EPDM), divers caoutchoucs nitrile qui sont des copolymères de butadiène et d'acrylonitrile tels que le Buna-N (également connu comme nitrile standard et NBR). En faisant varier la teneur en acrylonitrile, on peut obtenir des élastomères avec un gonflement amélioré par l'huile/le pétrole ou avec une performance améliorée aux basses températures. Des versions de spécialité de copolymères acrylonitrile butadiène carboxylé (XNBR) à haute teneur en acrylonitrile fournissent une résistance à l'abrasion améliorée, et les versions hydrogénées de ces copolymères (HNBR) fournissent des élastomères à résistance chimique et à l'ozone. Le HNBR carboxylé est également connu. D'autres caoutchoucs utiles comprennent les mélanges poly(chlorure de vinyle)-nitrile butadiène (PVC- NBR), le polyéthylène chloré (CM), le polyéthylène sulfonate chloré (CSM), les polyesters aliphatiques avec des chaînes latérales chlorées, tels que les homopolymères d'épichlorhydrine (CO), les copolymères d'épichlorhydrine (ECO) et les terpolymères d'épichlorhydrine (GECO), les caoutchoucs polyacrylate, tels que le copolymère éthylèneacrylate (ACM), les terpolymères éthylène-acrylate (AEM), l'EPR, les élastomères d'éthylène et de propylène, parfois avec un troisième monomère, tels que le copolymère éthylène-propylène (EPM), les copolymères éthylène acétate de vinyle (EVM), les polymères fluorocarbonés (FKM), les copolymères de poly(fluorure de vinylidène) et d'hexafluoropropylène (VF2/HFP), les terpolymères de poly(fluorure de vinylidène), hexafluoropropylène et tétrafluoroéthylène (VF2/HFP/TFE), les terpolymères de poly(fluorure de vinylidène), polyvinyl méthyl éther et tétrafluoroéthylène (VF2/PVME/TFE), les terpolymères de poly(fluorure de vinylidène), hexafluoropropylène et tétrafluoroéthylène (VF2/HPF/TFE), les terpolymères de poly(fluorure de vinylidène), tétrafluoroéthylène et propylène (VF2/TFE/P), les perfluoroélastomères, tels que les perfluoroélastomères de tétrafluoroéthylène (FFKM), les élastomères hautement fluorés (FEPM), le caoutchouc butadiène (BR), e caoutchouc polychloroprène (CR), le caoutchouc polyisoprène (IR), (IM), les polynorbornènes, les caoutchoucs polysulfures (OT et EOT), les polyuréthanes (AU) et (EU), les caoutchoucs silicone (MQ), les caoutchoucs vinyl silicone (VMQ), le caoutchouc fluorométhyl silicone (FMQ), les caoutchoucs fluorovinyl silicone (FVMQ), les caoutchoucs phénylméthyl silicone (PMQ), les caoutchoucs styrène-butadiène (SBR), les copolymères d'isobutylène et d'isoprène connus comme étant les caoutchoucs butyle (IIR), les copolymères bromés d'isobutylène et d'isoprène (BIIR) et les copolymères chlorés d'isobutylène et d'isoprène (CIIR). [0028] Les parties expansibles des garnitures d'étanchéité de l'invention peuvent comprendre des brins continus de fibres polymères durcies à l'intérieur de la matrice du corps composite d'un seul tenant comprenant les éléments élastomères 2 et 6. Les brins des fibres polymères peuvent être groupés le long d'un axe longitudinal du corps de la garniture d'étanchéité expansible parallèlement aux coupes longitudinales dans une partie intérieure laminaire du corps expansible. Ceci peut faciliter l'expansion de la partie expansible du corps composite, et fournir néanmoins une résistance suffisante pour empêcher un échec désastreux de la garniture d'étanchéité expansible lors de l'expansion complète. [0029] Les parties expansibles des garnitures d'étanchéité de l'invention peuvent également contenir une pluralité d'éléments de renforcement se chevauchant. Ces éléments peuventêtre construits à partir de n'importe quel matériau approprié, par exemple des alliages à haute résistance, des polymères et/ou élastomères renforcés par des fibres, des polymères et/ou élastomères renforcés par des nano-fibres, des nano-particules et des nana-tubes, ou similaires, tous d'une façon connue et décrite dans la demande de brevet américain No. 11/093390, déposée le 30 mars 2005, intitulée Garnitures d'Etanchéité Gonflables Perfectionnées (Improved Inflatable Packers) , dont l'intégralité est incorporée par référence à la présente description.

0] La Figure 2 est une vue en coupe schématique le long de 2-2 de la Figure 1 d'une partie de la garniture d'étanchéité illustrée sur la Figure 1. La couche fibreuse 3 et la couche de câbles 4 sont illustrées dans un état non expansé. Est également illustrée une partie de la structure de support mécanique 5. L'élément élastomère interne 2 et l'élément d'étanchéité externe 6 ne sont pas représentés. La couche fibreuse 3 est positionnée entre la couche de câbles 4 et l'élément élastomère interne 2. Dans certains modes de réalisation, les fibres composant la couche fibreuse 3 peuvent former une couche unidirectionnelle qui a une direction identique ou différente par rapport aux câbles dans la couche de câbles 4. Toutes les fibres peuvent être positionnées côte à côte, sans croisement. Plus d'une couche fibreuse unidirectionnelle peut être employée, comme davantage discuté en relation avec la Figure 4. [0031] La Figure 3 est une vue en coupe schématique d'une partie de la garniture d'étanchéité expansible de la Figure 1 illustrant la façon dont une couche anti-extrusion selon l'invention agit pendant l'expansion pour limiter la contrainte de traction sur une couche fibreuse 3 de la couche anti-extrusion. Lorsque l'élément élastomère interne 2 des garnitures d'étanchéité de l'invention est expansé, des espaces peuvent apparaître entre des parties de la structure mécanique 5 supportant l'élément d'étanchéité externe 6 (non représenté). Les câbles dans la couche de câbles 4 sont poussés contre la structure mécanique 5 par la pression de gonflage, qui crée une force 7 transversale à l'axe longitudinal de la garniture d'étanchéité, maintenue par la couche de câbles 4. La couche fibreuse 3 est poussée contre la couche de câbles 4 par la pression de gonflage 7. Etant donné que les câbles dans la couche de câbles 4 forment une couche homogène, avec pas ou très peu de fenêtres ou d'espaces, les fibres dans la couche fibreuse 3 sont contraintes en compression transversale et subissent peu ou pas de déchirure et pas de contrainte de traction. La contrainte sur la couche fibreuse 3 est bien plus faible que s'il n'y avait pas de couche de câbles 4, et les garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention peuvent résister à une pression de gonflage bien plus élevée.

2] La Figure 4 est une vue en perspective, avec des parties arrachées, d'une garniture d'étanchéité expansible de l'invention illustrant une orientation différente de deux couches fibreuses 3A et 3B, conformément à un mode de réalisation de l'invention. Les couches fibreuses peuvent comprendre des fibres polymères, ou n'importe quelle fibre connue dans la technique qui est suffisamment flexible pour une utilisation dans une garniture d'étanchéité expansible. Lorsque de multiples couches fibreuses 3 sont employées, les fibres composant les d=ifférentes couches peuvent être orientées différemment ; par exemple, la première couche fibreuse 3A peut être disposée de façon hélicoïdale, formant un angle avec l'axe longitudinal de la garniture d'étanchéité, par exemple se situant dans la plage d'environ 1 à environ 20 , alors que d'autres couches peuvent être sensiblement parallèles à l'axe longitudinal de la garniture d'étanchéité. La seconde couche fibreuse 3B peut être positionnée sur la première, avec un angle différent. Par exemple, cet angle peut se situer dans la plage de -1 à environ -20 . Dans certains modes de réalisation, il peut être utile d'avoir des couches fibreuses supplémentaires 3, chaque couche ayant un angle spécifique.

3] Les garnitures d'étanchéité expansibles de l'invention peuvent être construites à partir d'un composite ou d'une pluralité de composites de façon à assurer une flexibilité dans la garniture d'étanchéité. Les parties expansibles des garnitures d'étanchéité de l'invention peuvent être construites à partir d'un matériau de matrice composite approprié, d'autres parties étant construites à partir d'un composite suffisant pour une utilisation dans un puits de forage, mais ne requérant pas nécessairement une flexibilité. Le composite est formé et posé par des moyens classiques connus dans la technique de fabrication des composites. Le composite peut être construit à partir d'une matrice ou d'un liant qui entoure un amas de fibres polymères. La matrice peut comprendre un polymère plastique thermodurcissable qui durcit après la fabrication en raison de la chaleur. D'autres matrices sont la céramique, le carbone et les métaux, mais l'invention n'est pas limitée ainsi à ces résines. La matrice peut être faite à partir de matières avec un module d'élasticité en flexion très faible proche du caoutchouc ou supérieur, comme cela est requis pour les conditions du puits. Le corps composite peut avoir une rigidité bien plus faible que celle d'un corps métallique, et fournir néanmoins une résistance et une imperméabilité à l'usure aux conditions de puits corrosives ou produisant des dégâts. Le corps de garniture d'étanchéité composite peut être agencé pour pouvoir être changé en ce qui concerne le type de composite, les dimensions, le nombre de couches de câbles et fibreuses et les formes pour des environnements de fond différents.

4] Pour l'utilisation, la garniture d'étanchéité expansible est introduite dans un puits de forage par des moyens classiques (par exemple sur un train de tiges tubulaire) adjacents à la zone devant être scellée de manière étanche. La garniture d'étanchéité est expansée par des moyens fluides cu autres jusqu'à ce que le scellement d'étanchéité souhaité soit formé. Si l'on souhaite la retirer, les moyens fluides ou autres sont désengagés de façon à permettre à la garniture d'étanchéité de revenir à un diamètre inférieur à celui du puits de forage pour en faciliter le retrait.

5] Bien que seuls quelques modes de réalisation donnés à titre d'exemples de cette invention aient été décrits en détail ci-dessus, il apparaîtra facilement à l'homme du métier que de nombreuses modifications sont possibles dans les modes de réalisation donnés à titre d'exemples sans s'écarter d'une manière appréciable des nouveaux enseignements et avantages de cette invention. En conséquence, toutes ces modifications sont entendues être comprises dans la portée de cette invention telle que définie dans les revendications suivantes. Dans les revendications, aucune disposition n'est entendue être dans le format moyens-plus-fonction permis par 35 U.S.C. ≈112, paragraphe 6, à moins que moyens pour ne soit explicitement énoncé conjointement avec une fonction associée. Les dispositions moyens pour sont destinées à couvrir les structures décrites ici comme réalisant la fonction énoncée et non seulement les équivalents structuraux, mais encore les structures équivalentes.15

Claims

REVENDICATIONS

1 Garniture d'étanchéité expansible comprenant : (a) une couche fibreuse ayant une première surface adjacente à une surface externe d'un élément élastomère expansible interne ; et (b) une couche de câbles adjacente à la couche fibreuse, la couche de câbles comprenant une pluralité de couches de 10 câbles unidirectionnelles empilées ; la couche de câbles étant adaptée pour former une barrière sensiblement dépourvue d'espaces à travers lesquels l'élément élastomère interne s'extruderait sinon lors de l'expansion de l'élément élastomère interne. 15

2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche fibreuse comprend des fibres d'aramide.

3 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les câbles dans la couche de câbles ont des diamètres suffisants pour permettre aux câbles de se 20 déplacer les uns par rapport aux autres pour former la barrière sensiblement dépourvue d'espaces.

4 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les câbles dans la couche de câbles sont homogènes en diamètre. 25

5 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les câbles sont positionnés avec le même angle par rapport à un axe longitudinal de la garniture d'étanchéité, et adaptés pour former une couche homogène après l'expansion de l'élément élastomère interne, sans aucun 30 espace entre deux câbles.

6 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le nombre de couches unidirectionnelles dans la couche de câbles se situe dans la plage allant de deux couches jusqu'à 10 couches. 35

7 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les fibres composant la couche fibreuse peuvent former une couche unidirectionnelle qui a la mêmeorientation que les câbles dans la couche de câbles, avec toutes les fibres positionnées côte à côte, sans croisement.

8 - Dispositif selon la revendication 1, comprenant plus d'une couche fibreuse unidirectionnelle, les fibres composant les différentes couches pouvant être orientées de façon identique ou différente d'une couche à une autre.

9 - Dispositif selon la revendication 8, dans lequel une seconde couche fibreuse est positionnée adjacente à la première couche fibreuse, les fibres dans la seconde couche étant orientées à un angle qui est le négatif par rapport à l'angle de la première couche fibreuse.

10 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la couche fibreuse et la couche de câbles sont durcies à l'intérieur d'une matrice d'un corps tubulaire composite d'un seul tenant s'étendant d'une première extrémité non expansible à une seconde extrémité non expansible du corps.

11 - Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le corps composite d'un seul tenant comprend des brins continus de fibres polymères groupées le long d'un axe longitudinal du corps tubulaire parallèlement à des 25 coupes longitudinales dans une partie intérieure laminaire du corps tubulaire pour faciliter l'expansion du corps tubulaire composite d'un seul tenant.

12 - Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la matrice comprend une pluralité d'éléments de 30 renforcement se chevauchant faits à partir d'au moins l'un du groupe consistant en alliages à haute résistance, polymères et/ou élastomères renforcés par des fibres, polymères et/ou élastomères renforcés par des nano-fibres, des nano-particules et des nano-tubes. 35

13 - Dispositif selon la revendication 11, dans lequel les éléments de renforcement ont une extrémité inclinée adjacente à la première extrémité non expansible 20et adjacente à la seconde extrémité non expansible pour permettre une expansion du corps tubulaire.

14 - Dispositif selon la revendication 13, dans lequel l'angle des parties d'extrémité de renforcement est 5 d'environ 54 à partir de l'axe longitudinal du corps de garniture d'étanchéité.

15 - Garniture d'étanchéité en vue d'une utilisation dans un puits souterrain, comprenant : (a) des première et seconde connexions d'extrémité non 10 expansibles, un élément élastomère interne expansible, une couche anti-extrusion et un élément d'étanchéité externe supporté sur une structure métallique ; (b) la couche anti-extrusion comprenant une couche de polyaramide ayant une première surface adjacente à une 15 surface externe de l'élément élastomère expansible interne, et une couche de câbles adjacente à la couche fibreuse, la couche de câbles comprenant une pluralité de couches de câbles unidirectionnelles empilées, la couche de câbles étant adaptée pour former une barrière 20 sensiblement dépourvue d'espaces à travers lesquels l'élément élastomère interne s'extruderait sinon lors de l'expansion de l'élément élastomère interne.

16 - Procédé pour utiliser une garniture d'étanchéité, comprenant les opérations consistant à : 25 (a) faire passer une garniture d'étanchéité expansible à une profondeur dans un puits de forage sur une ligne de tubes enroulés ou un tube raccordé, la garniture d'étanchéité expansible comprenant une couche antiextrusion comprenant une couche fibreuse ayant une 30 première surface adjacente à une surface externe de l'élément élastomère expansible interne, et une couche de câbles adjacente à la couche fibreuse, la couche de câbles comprenant une pluralité de couches de câbles unidirectionnelles empilées ; 35 (b) expanser un élément élastomère interne dans la garniture d'étanchéité expansible de telle sorte qu'un élément d'étanchéité externe de la garnitured'étanchéité scelle de manière étanche le puits de forage ; et (c) créer une barrière à l'aide de la couche de câbles qui est sensiblement dépourvue d'espaces à travers lesquels l'élément élastomère interne s'extruderait sinon lors de l'expansion de l'élément élastomère interne.

17 - Procédé selon la revendication 16, comprenant la libération de la garniture d'étanchéité à partir du puits de forage, l'élément élastomère interne retournant sensiblement à sa forme initiale.

18 - Procédé selon la revendication 17, comprenant l'opération consistant à faire passer la garniture d'étanchéité à un autre emplacement dans le puits de forage, et à répéter l'étape (b).

19 - Procédé selon la revendication 16, comprenant, avant l'étape (a), la sélection d'un nombre de couches de câbles pour la couche de câbles suffisant pour créer la barrière de l'étape (c) sur la base d'un rapport d'expansion attendu pour la garniture d'étanchéité à l'étape (b).

20 - Procédé selon la revendication 19, comprenant le calcul d'un rapport d'expansion attendu avant la sélection du nombre de couches de câbles.25