FR2996246A1 - Element tubulaire a levres d'etancheite inclinees et procede pour l'appliquer contre la paroi d'un puits - Google Patents

Abstract

La présente invention se rapporte notamment à un élément tubulaire métallique (2) expansible radialement, qui comporte sur sa face externe (211) au moins une série de lèvres annulaires d'étanchéité (5) en matériau élastiquement déformable, ces lèvres étant espacées deux à deux, la section droite transversale de chaque lèvre (5) présentant une face d'extrémité (51) et deux parois latérales (52, 53), caractérisé par le fait que lesdites lèvres (5) sont inclinées par rapport à ladite face externe (211), c'est-à-dire que chacune des parois latérales (52, 53) de chaque lèvre (5) forme un angle (α ; β) non nul par rapport à un plan radial (PR) dudit élément.

Description

La présente invention se rapporte à un élément tubulaire métallique expansible radialement qui est pourvu d'une série de lèvres annulaires d'étanchéité. Elle concerne également un procédé pour appliquer de 10 manière étanche un tel élément contre la paroi d'un puits ou d'un cuvelage de puits (en anglais « casing »). Le domaine technique auquel s'applique la présente invention est celui de l'étanchéification de régions d'un puits par rapport à d'autres, par exemple pour y délimiter une zone étanche à l'intérieur de laquelle il 15 sera possible d'intervenir ultérieurement. A simple titre d'exemple, à l'intérieur de cette zone pourra être mis en oeuvre un procédé de fracturation hydraulique. Pour illustrer l'état de la technique en la matière, on a représenté aux figures 1 et 2 annexées, une fraction de conduite tubulaire 20 métallique 1 qui est mise en place à l'intérieur d'un puits, et plus particulièrement dans la partie horizontale de celui-ci. En pratique, cette conduite 1 comporte également une extrémité amont verticale qui débouche à la surface du puits, ainsi qu'une portion intermédiaire courbe pour relier la partie verticale à la partie 25 horizontale (celles-ci n'étant pas représentées ici, dans un souci de simplification). Il s'agit d'une conduite tubulaire formée de plusieurs tronçons mis bout à bout, de manière à former une complétion. Sur les deux figures précitées, la conduite est en place dans 30 un tube métallique (cuvelage) A qui a été préalablement placé à l'intérieur du puits, par exemple pour en consolider la paroi. Toutefois, on peut tout à fait envisager que A désigne la surface brute de la paroi du puits dans lequel on se propose de travailler. De manière connue en soi, la conduite 1 comporte au moins 35 une ouverture 10 qui fait communiquer son espace interne avec l'extérieur.

Sur les figures annexées, on a représenté seulement une ouverture 10. Toutefois, il est possible d'avoir affaire à un nombre plus élevé d'ouvertures, par exemple quatre ou six. Contre la face externe de cette conduite et sur une partie de celle-ci s'étend une chemise 2 cylindrique ou approximativement cylindrique dont les extrémités opposées 20 sont reliées et fixées de manière étanche à la face externe de la conduite. Cette chemise est préférentiellement en métal. Toujours de manière connue, la chemise 2 est recouverte sur 10 toute ou partie de sa longueur d'une couche de matériau élastiquement deformable, par exemple en élastomère, laquelle constitue une "nappe" annulaire d'étanchéité 3, de quelques millimètres d'épaisseur. A la figure 1, la chemise 2 est représentée dans son état initial, à savoir que sa paroi n'est pas encore déformée. A ce stade, elle 15 est globalement cylindrique. La représentation de la figure, dans laquelle la partie centrale est décalée radialement par rapport aux extrémités, est fictive et seulement illustrative. Comme montré à la figure 2, par application d'une pression suffisante P1 de fluide (préférentiellement un liquide tel que de l'eau) à 20 l'intérieur de la conduite 1, cette pression, via les ouvertures 10 est communiquée à l'intérieur de la chemise 2 qui s'expanse radialement au-delà de sa limite de déformation élastique. Ce faisant, la nappe 3 de matériau élastomère rentre en contact avec la paroi interne du cuvelage A ou du puits. 25 Ensuite, par application d'une surpression AP, de sorte que la pression globale devienne P1 + AP, l'élastomère 3 vient se comprimer contre la paroi et permet ainsi d'isoler de manière étanche les espaces annulaires EA1 et EA2 qui sont disposés de part et d'autre de la chemise 2. Lorsque la pression est ensuite abaissée à l'intérieur de la 30 conduite 1 pour revenir à une pression initiale, le diamètre de la chemise 2 tend à diminuer légèrement, en raison d'un petit retour élastique. Cette modification géométrique doit être compensée par la couche d'étanchéité 3 afin de conserver une isolation correcte entre les espaces annulaires précités. 35 On a référencé Z à la figure 2, une zone qui est représentée de manière agrandie aux figures 3 et 4.

La paroi de la chemise 2 porte la référence 21, et on a référencé 210 et 211 ses faces respectivement interne et externe. Quant à la nappe de matériau 3, sa face interne est référencée 30, tandis que sa face externe est référencée 31.

La figure 3 représente le dispositif lors de l'expansion de la chemise, alors que la figure 4 l'illustre après arrêt de la pression d'expansion. Du fait que l'élastomère du matériau 3 est relativement peu compressible, il se comprime très peu, même après application d'une forte surpression et contact avec la paroi du puits A.

Cette surpression peut être de l'ordre de 50 à 100 bars. Après retrait de la pression et retour élastique de la chemise 2, il est alors possible qu'il n'y ait plus de contact entre la paroi intérieure du puits et la nappe de matériau 3, créant ainsi un espace j de communication entre les espaces annulaires [Al et EA2 précités.

Dans ces conditions, on n'obtient pas une étanchéité satisfaisante. Il a été également proposé, non pas d'utiliser une nappe continue de matériau d'étanchéité, mais une série de bandes d'étanchéité annulaires écartées les unes des autres, comme décrit dans le document 20 US 6 640 893. Lorsque l'on considère la section droite (coupe transversale) de ces bandes d'étanchéité, on a affaire à une succession de "créneaux" 3 qui sont séparés les uns des autres par des espaces annulaires 4, comme montré à la figure 5. 25 La plupart du temps, la chemise 2 est expansée alors que de l'eau remplit le puits de sorte que ce liquide est emprisonné entre les bandes d'étanchéité, dans les espaces 4. Ce liquide étant très peu compressible, la pression AP est emprisonnée entre les bandes 3 et le fluide ne peut plus s'évacuer. 30 Pour ces raisons, le défaut d'étanchéité mis en avant en relation avec les figures 3 et 4 existe ici également. On a par ailleurs proposé d'autres techniques de déformation de chemise expansible. Ainsi, on décrit dans le document US 7 370 708 un dispositif 35 comportant, non pas une couche d'étanchéité en élastomère, mais des lèvres métalliques directement solidaires de la chemise expansible.

Lors de l'expansion de la chemise, qui est effectuée avec un mandrin coulissant longitudinalement, ces lèvres sont tour à tour déformées plastiquement contre la paroi. Le faible retour élastique de ces lèvres n'est pas suffisant pour compenser le retour élastique et la 5 diminution de diamètre de la chemise proprement dite, ce qui crée un espace de communication entre les deux espaces annulaires [Al et EA2. Par ailleurs, dans le document US 7 070 001, on a affaire à des lèvres d'étanchéité solidaires d'une chemise expansible, laquelle est déformée par un système de galets. 10 Ces lèvres sont couplées à des couches d'extrémité en élastomère gonflable et servent également de moyens anti-extrusion. La présente invention a pour but de pallier les problèmes décrits ci-dessus en relation avec l'état de la technique et de fournir un élément tubulaire expansible radialement dont les lèvres annulaires 15 d'étanchéité remplissent pleinement leur fonction lorsqu'elles sont appliquées contre les parois d'un cuvelage ou d'un puits. Ainsi, selon un premier aspect de l'invention, celle-ci se rapport à un élément tubulaire métallique expansible radialement, qui comporte sur sa face externe au moins une série de lèvres annulaires 20 d'étanchéité en matériau élastiquement deformable, ces lèvres étant espacées deux à deux, la section droite transversale de chaque lèvre présentant une face d'extrémité et deux parois latérales, caractérisé par le fait que lesdites lèvres sont inclinées par rapport à ladite face externe, c'est-à-dire que chacune des parois latérales de chaque lèvre forme un 25 angle non nul par rapport à un plan radial dudit élément. Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives prises seules ou selon une combinaison quelconque : - lesdites parois latérales sont parallèles ; - lesdites parois sont non parallèles, leur écartement au 30 niveau de la face d'extrémité étant inférieur à leur écartement au niveau de leur base ; - ledit angle est compris entre 20° et 70° ; - lesdites lèvres sont fixées à ladite face externe ; lesdites lèvres sont rendues solidaires les unes des autres 35 au niveau de leur base par une nappe de liaison, de sorte que les lèvres et la nappe forment un ensemble monolithique ; 'il comprend au moins une première série de lèvres inclinées dans une première direction et au moins une seconde série de lèvres inclinées dans une deuxième direction, opposée à la première. Un autre aspect de l'invention se rapporte à un procédé pour appliquer de manière étanche un élément tubulaire métallique tel que décrit ci-dessus contre la paroi d'un puits ou d'un cuvelage positionné dans 10 ce puits. Ce procédé est remarquable en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) expansion radiale sous une première pression P1 dudit élément jusqu'à ce que les lèvres viennent en contact simultané ou quasi-15 simultané de ladite paroi ; b) application, pendant une durée prédéterminée, d'une seconde pression P2 supérieure à la première, pour contraindre les lèvres à s'appuyer fermement contre la paroi ; c) relâchement de ladite pression. 20 Préférentiellement, l'expansion radiale est réalisée par hydroformage ou par l'intermédiaire d'un outil gonflable (en anglais « inflatable element » ou « inflatable packer »). D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de certains 25 modes de réalisation préférentiels. Cette description se fera en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 6 est une vue partielle, en coupe selon un plan de coupe vertical et longitudinal d'un élément tubulaire 30 conforme à l'invention ; - la figure 7 est également une vue en coupe d'une variante de réalisation de la figure 6, limitée à la partie supérieure de la paroi ; - les figures 8 et 9 sont des vues très schématiques 35 permettant d'illustrer les phénomènes qui sont mis en oeuvre au niveau d'une lèvre d'étanchéité de l'élément, en fonction de la pression appliquée ; les figures 10A à 10D sont des schémas qui illustrent les différentes étapes du procédé selon l'invention ; la figure 11 est une vue agrandie de l'étape correspondant à la figure 10C; la figure 12 est une vue agrandie d'un autre mode de réalisation des lèvres d'étanchéité ; enfin, les figures 13 et 14 illustrent très schématiquement différentes implantations possibles des lèvres d'étanchéité sur l'élément tubulaire. En référence à la figure 6 et de manière connue en soi, l'élément tubulaire, représenté partiellement ici et référencé 2, comporte sur sa face externe 211, une série de lèvres annulaires d'étanchéité 5 en un matériau élastiquement deformable tel que du caoutchouc synthétique. Ces lèvres sont par exemple fixées à la face externe 211 de l'élément 2 par collage ou tout autre moyen connu de l'homme du métier. Ici, seules cinq lèvres ont été représentées. Il s'agit toutefois 20 d'un exemple de réalisation possible et il est bien évident qu'il est envisageable d'avoir affaire à un nombre beaucoup plus élevé de lèvres d'étanchéité. Selon la section droite représentée ici (c'est à dire selon un plan de coupe transversal), ces lèvres, qui sont espacées deux à deux d'un 25 écartement de valeur d sensiblement égale à leur largeur, présentent une face d'extrémité libre 51 et deux parois latérales 52 et 53.Leur face inférieure (ou base) est référencée 50. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ces lèvres sont inclinées par rapport à la face externe 211 de l'élément 2, 30 c'est-à-dire que chacune des parois latérales 52 et 53 précitées forme un angle non nul par rapport à un plan radial PR de l'élément 2. En l'occurrence, dans le mode de réalisation représenté ici, les faces latérales 52 et 53, sont parallèles entre elles et chacune forme un même angle cc par rapport au plan radial PR associé. 35 On entend par l'expression "plan radial" un plan qui coupe perpendiculairement l'axe longitudinal X-X' de l'élément 2.

Dans la mesure où l'élément selon l'invention est tubulaire, les figures suivantes présentent des "demi-vues" sur lesquelles apparait seulement la partie supérieure de sa paroi, ceci dans un but de simplification.

A la figure 7 est représenté un mode de réalisation très proche du précédent. Il s'en différencie toutefois par le fait que les lèvres 5 sont toutes rattachées à une nappe de matériau élastomère 54 fixée sur l'élément 2, de sorte que toutes les lèvres sont retenues les unes aux autres par cette nappe 54, pour former un ensemble monolithique.

Dans le mode de réalisation de la figure 12, on a affaire sensiblement à la même structure, si ce n'est que les faces latérales 52 et 53 sont inclinées selon une valeur d'angle différente. En l'occurrence, la face 53 est inclinée par rapport au plan radial associé PR1 d'un angle cc plus important que celui que forme la 15 seconde paroi latérale 52 par rapport à un autre plan radial associé PR2. En effet, on constate effectivement visuellement que l'angle correspondant 0 est inférieur à a. En tout état de cause, dans ce mode de réalisation dans lequel ledit angle n'est pas le même pour chacune des faces, l'écartement 20 des parois au niveau de la face d'extrémité 51 de chaque lèvre est inférieur à leur écartement au niveau de leur base 50. Cela contribue à donner aux lèvres une meilleure stabilité. Autrement dit, cela signifie que les lèvres, telles qu'elles sont vues ici en coupe transversale, s'effilent au fur et à mesure que l'on 25 s'éloigne de leur base 50. Dans le mode de réalisation de la figure 13, on a affaire à deux ensembles de lèvres 5, un premier ensemble, situé sur la gauche de la figure, dans lequel toutes les lèvres sont orientées dans une première direction, et un deuxième ensemble de lèvres 5, situé sur la droite de la 30 figure, dont chaque élément est orienté selon une direction opposée à la première direction précitée. On comprendra l'intérêt d'un tel agencement plus loin dans la description. Enfin, à la figure 14, on a représenté un élément 2 qui est 35 pourvu de quatre régions différentes dans lesquelles un ensemble de lèvres 5 sont prévues.

Nous allons maintenant nous reporter aux figures 8 à 11 pour expliquer les avantages liés aux caractéristiques de l'invention et détailler les phénomènes mis en oeuvre. Pour ce faire, dans un premier temps, on se reportera aux 5 figures 8 et 9 dans lesquelles est représentée, dans un simple souci de clarté des figures, une seule lèvre d'étanchéité 5. Bien entendu, ce qui sera décrit ci-après pour cette lèvre est également valable pour les lèvres voisines. Du fait de son inclinaison particulière, cette lèvre a un 10 fonctionnement que l'on peut qualifier "d'asymétrique", ce qui signifie qu'elle retient mieux la pression dans une direction que dans la direction opposée. Ainsi, la pression retenue d'un côté de la lèvre est supérieure à la pression retenue de l'autre. 15 Plus précisément, lorsque l'on considère la figure 8 et la pression appliquée à la paroi 52 de la lèvre, on constate, comme représenté par les flèches f, g et h que la pression initialement dirigée axialement rencontre la pente inclinée de la paroi 52 qui pousse le matériau de la lèvre vers le haut, comme le montrent les flèches h, ce qui 20 contribue à plaquer la face d'extrémité 51 contre la paroi du puits A. A l'opposé, c'est-à-dire du côté de la face 53, la pression matérialisée par les flèches k et l s'exerce contre la face 51 dans le sens de son affaissement, de sorte que la lèvre a tendance à légèrement s'écarter de la paroi du puits A, de manière à ménager un passage 6 par 25 lequel le liquide s'engouffre comme montré par la flèche m. Ce sont ces deux phénomènes qui permettent, grâce au procédé selon la présente invention, d'obtenir une parfaite étanchéité. La première étape a) du procédé consiste à expanser radialement sous une première pression P1 l'élément 2 jusqu'à ce que les 30 lèvres 5 viennent en contact avec la paroi du puits A ou du cuvelage déjà positionné dans ce puits. Ceci est représenté de manière très schématique aux figures 10A et 10B. L'étape suivante consiste à appliquer, pendant une durée 35 prédéterminée, par exemple de l'ordre de 2 à 5 minutes, une seconde pression P2 supérieure à la première. Autrement dit, cette pression P2 est égale à P1 + AP, comme indiqué aux figures 10C et 11. Ce faisant, cette surpression s'applique au liquide (ou plus généralement au fluide) qui est emprisonné entre les lèvres 5.

L'évacuation du liquide est alors possible par la "première" lèvre, c'est-à-dire la lèvre qui d'un côté subit la surpression AP et de l'autre côté la pression PO régnant initialement dans le puits. Tel que représenté sur les figures 10C et 11, il s'agit donc de la lèvre située sur la partie gauche des figures, c'est-à-dire celle qui est 10 placée le plus en amont par rapport aux lèvres voisines. L'évacuation du liquide est alors possible par cette première lèvre, selon le phénomène expliqué en relation avec la description de la figure 9. Ceci contribue donc à "vider" l'espace situé entre cette 15 première lèvre et la suivante. De proche en proche, l'ensemble du liquide emprisonné entre les lèvres est évacué et le caoutchouc est suffisamment comprimé pour compenser le retour élastique de la chemise deformable 2. De cette manière, on s'assure d'une parfaite étanchéité au 20 niveau de l'ensemble des lèvres 5. Ce phénomène est bien entendu également mis en oeuvre lorsque l'on a affaire à des lèvres telles que celles représentées à la figure 12. Dans cette configuration, où l'angle cc est supérieur à 0, on garantit que la forme générale des lèvres soit très peu modifiée lors de 25 l'expansion radiale de la chemise expansible 2. En effet, une lèvre de faible épaisseur avec des angles identiques aura plutôt tendance à se rabattre vers la surface extérieure de la conduite au cours de l'expansion. Ici, du fait que la largeur (épaisseur) de leur base est supérieure à leur largeur au niveau de leur extrémité libre, ce phénomène de rabattement 30 n'est pas (ou peu) rencontré. Lorsque l'on a affaire à une disposition de lèvres telle que celle représentée à la figure 13, on retient une pression importante dans deux directions opposées, mais l'évacuation du liquide lors de l'application d'une surpression est toujours possible.

35 Cette configuration est d'ailleurs particulièrement avantageuse car le vide de liquide ainsi créé provoque un effet de ventouse et maintient la chemise expansible 2 plaquée contre la paroi du puits après retour à une pression inférieure P1. La lèvre située au milieu n'est pas obligatoire et n'a pas de réelle fonction. La disposition de lèvres telle que présentée à la figure 14 permet de diminuer la valeur de la surpression AP nécessaire à la compression des lèvres. La surpression AP appliquée à l'intérieur de toute la chemise est en effet appliquée à un nombre réduit de lèvres, augmentant ainsi la surpression appliquée localement.10

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Elément tubulaire métallique (2) expansible radialement, qui comporte sur sa face externe (211) au moins une série de lèvres annulaires d'étanchéité (5) en matériau élastiquement deformable, ces lèvres étant espacées deux à deux, la section droite transversale de chaque lèvre (5) présentant une face d'extrémité (51) et deux parois latérales (52, 53), caractérisé par le fait que lesdites lèvres (5) sont inclinées par rapport à ladite face externe (211), c'est-à-dire que chacune des parois latérales (52, 53) de chaque lèvre (5) forme un angle (cc ; 13) non nul par rapport à un plan radial (PR, PR1, PR2) dudit élément.
2. 2. Elément tubulaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit matériau est non-métallique.
3. 3. Elément tubulaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdites parois latérales (52, 53) sont parallèles.
4. 4. Elément selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdites parois (52, 53) sont non parallèles, leur écartement au niveau de la face d'extrémité (51) étant inférieur à leur écartement au niveau de leur base (50).
5. 5. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit angle (cc, 13) est compris entre 200 et 70°.
6. 6. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites lèvres (5) sont fixées à ladite face externe (211).
7. 7. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites lèvres (5) sont rendues solidaires les unes des autres au niveau de leur base par une nappe de liaison (54), de sorte que les lèvres et la nappe forment un ensemble monolithique.
8. 8. Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une première série de lèvres inclinées (5) dans une première direction et au moins une seconde série de lèvres inclinées (5) dans une deuxième direction, opposée à la première.
9. 9. Procédé pour appliquer de manière étanche un élément (2) selon l'une des revendications précédentes contre la paroi d'un puits ou d'un cuvelage (A) en place dans ce puits, cet élément ayant étépréalablement positionné à l'intérieur dudit puits ou du cuvelage (A), caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : a) expansion radiale sous une première pression P1 dudit élément (2) jusqu'à ce que les lèvres (5) viennent en contact simultané ou 5 quasi-simultané de ladite paroi ; b) application, pendant une durée prédéterminée, d'une seconde pression P2 supérieure à la première , pour contraindre les lèvres (5) à s'appuyer fermement contre la paroi ; c) relâchement de ladite pression. 10
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait qu'à l'étape a), on procède à l'expansion radiale par hydroformage ou par l'intermédiaire d'un outil gonflable.