WO2006030012A1 - Dispositif d'etancheite servant a obturer un puits ou une canalisation - Google Patents

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WO2006030012A1
WO2006030012A1 PCT/EP2005/054555 EP2005054555W WO2006030012A1 WO 2006030012 A1 WO2006030012 A1 WO 2006030012A1 EP 2005054555 W EP2005054555 W EP 2005054555W WO 2006030012 A1 WO2006030012 A1 WO 2006030012A1
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WO
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fibers
sleeve
sealing device
membrane
inflation
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/054555
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English (en)
Inventor
Jean-Louis Saltel
Original Assignee
Saltel Industries
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12—Packers; Plugs
    • E21B33/127—Packers; Plugs with inflatable sleeve
    • E21B33/1277—Packers; Plugs with inflatable sleeve characterised by the construction or fixation of the sleeve
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/10—Means for stopping flow from or in pipes or hoses
    • F16L55/12—Means for stopping flow from or in pipes or hoses by introducing into the pipe a member expandable in situ
    • F16L55/128—Means for stopping flow from or in pipes or hoses by introducing into the pipe a member expandable in situ introduced axially into the pipe or hose
    • F16L55/132—Means for stopping flow from or in pipes or hoses by introducing into the pipe a member expandable in situ introduced axially into the pipe or hose the closure device being a plug fixed by radially deforming the packing
    • F16L55/134—Means for stopping flow from or in pipes or hoses by introducing into the pipe a member expandable in situ introduced axially into the pipe or hose the closure device being a plug fixed by radially deforming the packing by means of an inflatable packing

Definitions

  • the present invention relates to a sealing device for ensuring the temporary filling of a well, in particular oil, or a pipe.
  • Such a device well known in the technical field of drilling and exploitation of oil deposits, is usually referred to by the French term “inflatable shutter” or more often by the English word “packer”. It is intended to temporarily separate from one another two contiguous portions of the well or the pipe, for example to carry out investigations or repairs in one of these portions.
  • the invention is more particularly directed to a sealing device of this type, in the form of an inflatable shutter which is carried by a support intended to be introduced into the well or the pipe.
  • Such a device generally comprises: At the level of the deformable zone: a tubular and inflatable "sealing membrane", of circular section, made of a tight, flexible and elastic material, radially deformable towards the outside under the action of a internal fluid pressure, in order to apply tightly against the "mechanical structure”; - A “mechanical structure” whose function is to withstand the forces exerted by the inflation pressure applied to the waterproofing membrane, this mechanical structure can be equipped with a device called “anti-extrusion” whose function is to avoid extrusion of the waterproofing membrane through the mechanical structure;
  • a "radial retaining ring” ensuring the radial retention of the mechanical structure when it is subjected to the inflation pressure.
  • the diameters of the device and the shutter are smaller than that of the well or pipe.
  • inflation of the shutter is usually accomplished by pumping a liquid, such as water, a hydrocarbon, and / or sludge present therein. well or pipe.
  • a liquid such as water, a hydrocarbon, and / or sludge present therein. well or pipe.
  • This fluid is brought to a high pressure, able to cause the expansion of the membrane and the mechanical structure and firmly press the outer skin against the wall of the area in question to seal it temporarily or permanently.
  • the shutter expands radially and is shortened at a time according to the manufacturing geometry of the mechanical structure
  • the shutter is deflated and the device is removed.
  • the shutter in an application of the oil field, generally has a length of about 1 to 4 m, an initial external diameter (not inflated) in a range of 70 mm to about 150 mm, and a wall thickness (membrane, mechanical structure and outer skin not inflated) in a range of about 15 mm to 25 mm.
  • the material constituting the membrane is usually natural or synthetic rubber.
  • the proper inflation of the shutter requires the implementation of a relatively high internal pressure, whose value, still as an indication, is usually of the order of 3.10 7 to 4. 10 7 Pascal (30 to 40 MPa) .
  • the wall of the membrane is therefore exposed during inflation to very significant efforts that may deteriorate or even to do explode.
  • the mechanical structure has the function of mechanically resisting the forces of pressure.
  • the mechanical structure is generally composed of either cables or metal blades.
  • the outer skin material is usually natural or synthetic rubber.
  • fiber an elementary cylindrical formation of very small diameter, of the order of 0.01 to 0.02 mm, for example, generally made of synthetic or organic material and most often assembled in the form of yarn or wick. .
  • wick designated in English in the art by the word “roving”: long strand and small section (less than 1 mm 2 ), consisting of the meeting of parallel fibers.
  • the first type referred to as a “cable-sealing device” uses steel or plastic cables with a diameter of between 1 and 4 mm, wound helically in the wall of the sealing device and attached to their ends by binding means by crimping, crimping or bonding with epoxy resins.
  • the cables are wrapped in a flexible and deformable matrix, based on rubber or silicone, for example.
  • a pair of concentric reinforcing plies each consisting of a series of parallel flexible cables, helically wound at a high pitch (i.e. with a small inclination relative to to the longitudinal axis of the device), the cables of the two sheets having an inclination of a neighboring angle value, but in opposite directions.
  • This angle is initially, that is to say before inflation of the membrane, for example, of the order of 10 to 18 °; it increases during the inflation of the membrane to reach a final value of the order of 35 to 40 °.
  • at least one third similar layer (auxiliary layer) arranged coaxially with the other two, towards the inside of the membrane, but composed of thinner cables, with a diameter of between 0.5 and 1 mm, is provided. and closer together than the outer (main) layers.
  • this auxiliary ply function of this auxiliary ply is to oppose the so-called extrusion phenomenon, related to the creep of the constituent material of the wall of the membrane, from the inside to the outside, under the action of the internal pressure very high, which may cause the formation of a hernia through the interstices between some reinforcement son of the main layers and leading to a rupture of the wall.
  • the constituent cables of the first two plies so-called main function therefore function of the mechanical strength of the membrane, while those of the inner auxiliary ply act as anti-extrusion barrier.
  • the cable density is practically identical from one end to the other, all along the axis of the shutter.
  • the second type called “lamellar sealing device”, uses long steel slats, arranged parallel to the axis of the sealing device, partially overlapping one another in the manner of tiles.
  • these slats slide relative to each other, such as the slats of a venetian blind, while their orientation varies.
  • the set of lamellae has an annular, cylindrical configuration. This assembly is interposed between two annular membranes, one inner sealingly with the inflation fluid, the other outer which seals against the wall of the well or lining which is lined the well.
  • the metal strips have the dual function of mechanical strength and anti-extrusion barrier.
  • the force exerted by the pressure in the end zones in the vicinity of each radial retaining ring, in the direction perpendicular to the axis of the sealing device, is considerable, which requires the use of thick metal ends and consequently increases the radial size of the sealing device.
  • the density of the anti-extrusion structure which is identical throughout the device, shows a weakness in the transient zones, located between the aforementioned end zones and the bearing zone of the outer skin with the well wall or pipe wall; However, it is in these transitional zones that the anti-extrusion system is the most stressed because of a par t of the spacing of the cables at this location and, on the other hand, the fact that the mechanical structure is not supported by the wall.
  • All these sealing devices must meet contradictory constraints that require the conditions encountered in the wells. In particular, they must: a) withstand several deflation inflation cycles while maintaining a dimension close to their initial dimension; (b) be able to accept significant deformation rates of up to 3: 1; c) have a reduced radial size to be able to be placed through restrictions having a limited diameter; (d) withstand significant differential inflation pressures of up to 30 to 40 MPa; e) can be installed in aggressive environments, both in terms of temperatures, which can exceed 180 ° C, that of corrosion because they are exposed to various fluids (water, oil and gas, in particular)
  • the first type of device has good memory qualities and can withstand several cycles of inflation and deflation while maintaining a dimension close to its original size.
  • its performance is limited in terms of temperature resistance and inflation pressure because, on the one hand, the limited density of cables used for the mechanical function and, on the other hand, the presence of spaces between the cables that are supposed to provide the anti-extrusion function at the area between the metal ends and the wall.
  • This device solves the problem related to extrusion by a particular set of short fibers whose purpose is to limit the extrusion of the elastic matrix through the mechanical resistance cables.
  • the device described does not solve the problem of the extrusion of the sealed membrane through the mechanical structure by adding a structure composed of short fibers which, at the level of the area immediately after pressing on the wall is not enough when expansion, pressure and temperature constraints become important.
  • the second type of device lamellar, has a better resistance to pressure and temperature than the first, and its radial size is relatively small.
  • the present invention aims to fill this gap, by providing a third type of sealing device using a fibrous structure.
  • the sealing shutter which is the subject of the invention, whose function is to close a well or a pipe, comprises, in a conventional manner, a sleeve attached to end members and radially expandable under the action an inflating fluid, in order to press tightly against the wall of the well or the pipe, the sleeve being itself composed of a sealing membrane, a mechanical structure and an outer skin.
  • said sleeve-shaped obturator comprises, on the one hand, a pair of cylindrical membranes with flexible and elastic walls, fitted coaxially inside one another, the inner one, intended to be subjected internally to the pressure of the inflation fluid, the other external, intended to be applied against the wall of the well or pipe to achieve the seal, and, secondly, at least one very fibrous annular structure dense fiber formed of a multitude of fine and long fibers of high mechanical strength, which connect said end members and which are wound helically around the inner membrane, along an axis coinciding with the longitudinal axis of symmetry of the sleeve, and that this fibrous structure, on the one hand, has a certain thickness and, on the other hand, is interposed between said membranes, and that in addition the angle of winding of the fibers with respect to the direction of said longitudinal axis of symmetry has a significantly greater value in the end portions of the sleeve than in the central portion thereof, the transition between the two portions being done progressively
  • the fibers, strands, wires or cables of this structure have a density greater than the ends (with respect to that of the central part) of the sleeve and their angle of application is calculated in such a way that they behave practically all of the same way when one applies a pressure inside the shutter and that they are solicited mechanically all together, with an identical or quasi identical stress.
  • the density of the fibrous annular structure is such that after radial expansion of the sleeve, said fibers are contiguous, or substantially contiguous, so that the structure provides both mechanical reinforcement, for withstand the high pressure forces, and anti-extrusion filter to prevent extrusion of the inner membrane between these fibers under the effect of pressure.
  • the density of fibers is thus made variable relative to the axis of the sleeve by acting on the winding angle of the fibers.
  • the fibers are advantageously placed at a value of the order of 45 ° to 60 ° in the end portions of the sealing device, and at a value of the order of 15 to 30 ° in the central portion of this one, the transition between the two portions being done gradually, with angles having an intermediate value. Angles are considered relative to the longitudinal axis of the device.
  • a characteristic of the invention is that the fiber arrangement angle is calculated in such a way that each fiber is mechanically stressed so as to be tensioned when pressure is applied in the shutter, and this regardless of the position of the fiber with respect to the axis of the shutter or with respect to its position in the thickness of the fibrous structure.
  • the large amount of fibers, especially at the end zones, associated with the tension of each fiber makes it possible to radically limit the spaces between the fibers and thus to avoid any extrusion of the waterproofing membrane.
  • One advantage of the invention is thus not to resort to an anti-extrusion system other than the fibrous structure used as a mechanical structure, which limits the thickness of the shutter.
  • the angle of laying of the fibers, more important at the ends than at the central part makes it possible to reduce or even eliminate the radial retaining ring.
  • the lower fiber density in the central part makes it possible to obtain a better deformation of this zone where it is necessary (the zone of contact with the wall) without risking a break, since this is the zone where the shutter is the least stressed.
  • the angle of laying of the fibers, before inflation, being variable from one end to the other, it is necessary to segment (virtually) the shutter into thin slices, for example 10 mm wide, so as to effect calculations considering that the angle of each fiber does not vary on the width of the slice.
  • This feature allows to solicit each fiber and to stretch them in an identical way, or almost identical, during the pressurization.
  • each fiber has an identical radial shortening movement, when passing from the deflated state to the inflated state.
  • the calculations are performed on slices cut (virtually) perpendicular to the axis and are of a sufficiently small thickness (less than 1 cm for example) to allow a good calculation accuracy with respect to the variation of angle of the fibers on the surface. shutter axis.
  • the density of the fibers within said fibrous structure, considered in a transverse cutting plane (at the sleeve), is between 100 and 45,000 / mm 2 'and is preferably of the order of 10 000 / mm 2 ;
  • the fibrous structure is composed of a plurality of wicks or son independent of each other and placed together against each other, so as to form a dense and homogeneous structure.
  • said fibrous structure is formed of several contiguous concentric layers, and the angular orientations of the fibers constituting two contiguous layers are contrary; at least some of said locks or wires are common to several sheets;
  • the device comprises, trapped between said inner and outer membranes, a very weakly compressible, liquid or pasty, and relatively fluid agent, in which the fibers constituting the fibrous structure bathe;
  • This agent is an oil, a grease, or silicone resin
  • the constituent fibers of said fibrous structure are embedded in a solid material but having characteristics of high flexibility and elasticity, which does not affect the ability to free deformation of this structure relative to the membranes that surround it.
  • FIGS. 1 and 2 are diagrammatic views, in axial section, of a conventional sealing device placed inside a well or a pipe at close, before and, respectively, after inflation.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrammatic and partly cutaway side views, and with cutouts of certain elements, each representing an end portion of a device according to the invention, these views being essentially intended to show the winding a wick or a fiber thread on the inner membrane.
  • Figure 4 is an axial sectional view showing a preferred method of attachment of the sleeve to an end member.
  • Figure 5 is a schematic side view, with parts broken away, of the central zone of the device, showing two adjacent sheets of locks.
  • Figure 6 is a partial view, in perspective and in section, of the same device, illustrating the interposition of four plies of locks between the inner and outer membranes.
  • Figure 7 shows the same device in half cross section.
  • Figure 8 is a detail, on a larger scale, of Figure 7.
  • FIGS 9 and 10 are details showing two different possible configurations of locks or threads of two adjoining webs.
  • FIGS. 9A and 9B are detailed, perspective and large-scale views of two contiguous sheets consisting of wicks and, respectively, of superimposed wires, the section plane being a "broken" plane in the form of Figure 9 C and 10A are views of detail similar to the previous ones, showing superposed fibrous webs, in two different configurations.
  • Fig. 11 is a diagram showing how a wick or yarn can be wound so as to belong to two contiguous webs.
  • Figures 12 and 13 are diagrams representing two different possible configurations of the device, in the inflated state, in which the central portion of the sleeve is disposed in the middle portion and, respectively, offset longitudinally with respect to a transverse plane of symmetry.
  • Figure 14 is a partial view, in cross section, showing a variant of the device provided with two fibrous structures.
  • Figure 15 is a schematic view of a device according to the invention, in axial section, the lower and upper half views respectively corresponding to the non-inflated and inflated state of the shutter.
  • Figure 16 is a diagram for explaining the calculation of the laying angles of a fiber, slice per slice.
  • Figures 17 and 18 are diagrams of a fiber assumed unwound, corresponding to a step, respectively before and after inflation.
  • FIG. 1 designated by the reference C the wall of a well, for example oil extraction, or a pipe.
  • This wall, cylindrical, of axis X-X ', may consist, when it comes to a well, in the raw wall of the drilled well, or in the wall of a lining made of steel or synthetic material if the well is tube.
  • the sealing device 1 essentially comprises a cylindrical sleeve 2 centered on the axis XX 'and carried by a pair of retaining members 3, 4. These are rigid end washers, for example made of steel, connected to each other. one to the other by the sleeve 2.
  • This sleeve has a flexible wall and elastically deformable.
  • the sleeve (not inflated) has for example a length "1" equal to 2.5 m, a diameter "d” equal to 120 mm, and a wall thickness "e” equal to 20 mm.
  • An apparatus of known type, not shown, allows the device to be moved inside the well in order to position it facing the zone to be closed, and to introduce a high pressure inflation fluid into the sleeve 2 .
  • the washer 3 is provided with a conduit 30 for supplying the liquid.
  • the inflation pressure can reach a value of about 3.10 7 to 4. 10 7 Pascal.
  • the radial expansion of the sleeve causes a decrease in its length, which brings the washers 2 and 3 closer to one another. It is desirable for the diametrical deformation ratio of the sleeve to be at least 3: 1 (three times the diameter). The device is therefore subject to significant mechanical stress, this in an often aggressive environment and at high temperatures.
  • the same device must be able to be used several times within the same well or the same channel, for example about twenty times, to allow to proceed to given investigations, for example to measure the porosity of the wall, in different axially distant areas.
  • the sleeve 2 After each inflation-deflation cycle, the sleeve must return to a diameter close to its initial diameter, which supposes that it has good elastic qualities.
  • the sleeve 2 comprises a pair of cylindrical membranes fitted coaxially inside one another, the inner one, intended to be subjected internally to the pressure of the inflation fluid, the other 21 external, intended to be applied against the wall C of the well or pipe to achieve sealing.
  • membranes 20 and 21 with flexible and elastic wall are advantageously both made of elastomeric materials; however, they do not necessarily have the same composition, because the two membranes are not exposed to the same fluids or subjected to the same constraints.
  • the most suitable elastomer varieties can thus be chosen according to the different applications.
  • a very dense fibrous annular structure 5 formed of a multitude of long fibers, and very small section, high strength.
  • Each of these fibers connects the two end members 3 and 4, to which it is fixed by its end portions, and is wound helically around the inner membrane 20, the axis of the helix thus formed being merged with the longitudinal axis of symmetry XX 'of the sleeve.
  • the inner membrane 20 seals.
  • the membrane 21 is the outer skin intended to be applied against the wall of the well or pipe to seal it when the device is inflated.
  • the outer skin 21 may be shorter than the inner membrane 20 and the intermediate structure 5, only the latter two elements being in this case imprisoned and retained in a conventional manner, by a radial retaining ring, on the end members 3 and 4.
  • all of these fibers can be subdivided into a large number of strands or wires grouping a plurality of fibers side by side, these strands constituting independent subsets. , having a significant section, for example a few mm 2 , so that they are significantly easier to handle, including winding, than individual fibers.
  • the fibers may be simply juxtaposed, without being secured to each other, then forming a strand of fibers similar to a tow, of the type usually designated in the art by the English term " roving ".
  • FIG. 9B they may, on the contrary, be connected to each other, by twisting or interlacing then forming a strand of fibers similar to a wire, of the type usually designated in the art by the English term "yarn".
  • locks or threads will be designated by the generic word "lock” in the remainder of the present description and in the claims, that the fibers constituting the strand in question are free, twisted, intertwined or no.
  • the fibrous structure 5 is composed of four annular concentric sheets designated, from the inside towards the outside, by the references 5.1, 5.2, 5.3 and 5.4.
  • Each of these plies is formed of a plurality of wicks 50, 50 'juxtaposed, that is to say placed against each other, and superimposed.
  • the value of the winding angle of the rovings 50 'constituting a ply (5.2 or 5.4) is advantageously very close to the value of the angle of the wicks 50 constituting the ply (5.1 or, respectively, 5.3), which it is contiguous, but their senses are contrary, as shown in Figure 6.
  • angles have very slightly increasing values when one moves away from the axis X-X '.
  • this angle (defined with respect to the longitudinal direction X-X ') has a constant value, relatively low, less than 30 °.
  • the angle has a progressively increasing value.
  • FIGS. 3A and 3B show the winding mode of a wick.
  • the washers 3 and 4 have a central cylindrical part, or core, 31, respectively 41, on which is fitted without play and glued the inner wall of the cylindrical membrane 20.
  • the wick 50 is wound Annually on a few turns.
  • the wick is also fixed at this level by gluing on the membrane 20; moreover a collar 6 ensures the clamping of the end portion of the membrane 21 against this winding, and against the end portion of the inner membrane 20, ensuring the fastening of the assembly against the core.
  • the cylindrical outer membrane 21 is also bonded around the end portion of the inner membrane 20.
  • the fibrous structure 5 is fixed directly to the core 31 by means of the clamp 6 ', while the end of the inner membrane 20 is bonded to the same core.
  • the end portion of the outer membrane 21 is thus shaped that it has an internal groove which receives the ring 6 'and which is bordered by an annular end bead 210 bonded to the core 31 and a profiled annular projection 211 s applying against the fibrous structure 5 to shoulder it as it deforms as a result of inflation of the sleeve.
  • a similar mounting system is naturally provided at the opposite end on the retaining member 4.
  • the wick 50 is wound helically on the membrane 20.
  • the pitch of this helix is variable.
  • the wick 50 in the areas where it connects with the washers 3 and 4, its sections 50a, respectively 50c, and therefore the fibers that compose it, form with respect to the direction XX 'an angle o whose value is close to 54 °.
  • the main (central) portion 50b of the wick 50 (and thus the fibers that compose it) forms, with respect to the direction X-X ', an angle ⁇ whose value is between 10 and 18 °. It is for example equal to 12 °.
  • each ply is formed of a plurality of adjacent and superposed strands of fibers thus oriented.
  • the fibers are flexible, and have a circular section.
  • Their diameter is advantageously of the order of 10 to 20 microns.
  • their density within the fibrous structure, considered in cross section, is between 3,000 and 12,000 fibers / mm 2 .
  • the fibrous structure 5 has a wall which serves at the same time as a mechanical structure to withstand the pressure forces, thanks to the very high density of the fibers, and as a filter to prevent any extrusion of the internal waterproofing membrane 20, thanks to the small diameter of these same fibers.
  • the fibrous structure 5 is not embedded in the material constituting the wall of sleeve 2. It is independent of it, and free to expand or contract properly depending on the constraints that are applied to it without being dependent on the deformation of the elastic material that surrounds it.
  • the two membranes 20, 21 are also independent of each other, they are mobile during their expansion and their retraction both with respect to one another and with respect to the fibrous structure which they surround, which also promotes the conservation of their elastic properties.
  • the membranes 20 and 21 are also independent of each other, they are mobile during their expansion and their retraction both with respect to one another and with respect to the fibrous structure which they surround, which also promotes the conservation of their elastic properties.
  • the orientation of the fibers as indicated above makes it possible to limit or even eliminate any radial force applied to the ends when the sealing device is inflated.
  • the features of the invention make it possible to solve most of the problems set forth in the preamble of the present description, related to the use of so-called “cable” or “slat” sealing devices.
  • the device is able to withstand several inflation-deflation cycles, while maintaining a dimension close to its initial dimensions, thanks to the ability of the fibrous structure to deform in the radial direction when the device is inflated, and to return to its initial position when deflated.
  • the fibrous structure can undergo significant deformation rates allowing the sealing device to go beyond a strain rate of 3: 1.
  • the radial size of the device is reduced because of the high fiber density and the non-use of an additional anti-extrusion device.
  • the inflation pressures can be extremely high.
  • the inner membrane 20 has a thickness i of the order of 5 mm
  • the structure fibrous ring 5 has a thickness k also of the order of 5 mm
  • the outer membrane 21 has a thickness j of the order of 10 mm.
  • the crossed wicks 50, 50 'of two adjacent plies can be simply superimposed, as illustrated in Figures 9, 9A, 9B and 9C.
  • FIGS. 10 and 10A They may be interlaced, for example in the form of a braid, forming a single ply, as illustrated in FIGS. 10 and 10A.
  • This advantageous feature avoids, during inflation, an axial sliding of the fibers relative to each other in the transition zones in which the inclination of the fibers varies, between their central portion 50b slightly inclined and their parts. end 50a and 50c.
  • one and the same wick 50 of very great length may be subjected to multiple windings, in order to form a sheet of crossed locks.
  • a very weakly compressible agent liquid or pasty, relatively fluid, in which bathe the constituent fibers of the structure 5.
  • This agent is for example an oil, a grease, or silicone resin, which remains trapped between the two membranes 20, 21.
  • Figures 12 and 13 show two different embodiments of a device according to the invention in the inflated state, in which they hermetically seal a well or a pipe, by applying the central portion 2b, 2'b of the sleeve 2, respectively 2 ', against the wall C of the well or the pipe.
  • this central part 2b extends in the middle part of the device, symmetrically on either side of its median transverse plane M.
  • the transient zones 2a, 2b, which connect this central part end members 3 and 4 respectively are of equal length.
  • the central part 2'b is shifted longitudinally towards an end of the device, in this case to the member 3, relative to the median transverse plane M.
  • FIG. 14 represents a variant of which the sleeve is composed of two fibrous structures 7, 8 each having the same characteristics as the structure 5 described above.
  • the sleeve has a median membrane 22 similar to the membranes 20 and 21.
  • One of the fibrous structures 7 is interposed between the inner 20 and median 22 membranes; the other 8 is interposed between the middle and outer membranes 22 and 21.
  • FIG. 15 shows a closure device whose outer skin 21 is shorter than the inner sealing membrane 20 and the fibrous intermediate layer 5, only these two elements 20, 5 being in this case secured at their ends to the ends.
  • metal members 3 and 4 this by means of retaining rings 300, 400 respectively.
  • the shutter is virtually segmented into identical slices of a certain width, for example 10 mm, of which two have been designated in FIG. 15, referenced T2, T3 before inflation and T'2. , T'3 after inflation (and axial shortening).
  • Figure 16 shows a slice, before and after inflation, located at any location on the shutter axis.
  • the points A, M and B respectively represent the position where the fibers are respectively wound on the diameters D A1 , D M1 and D B1 before inflation and DA 2 , DM 2 and D B 2 after inflation.
  • the laying angles, before inflation, of each fiber, wick, wire or cable must therefore be calculated, slice by slice, such that for any fiber, the same slice, its shortening, related to inflation, is identical this feature allows to solicit each fiber almost identically during the pressurization.
  • the fibers positioned at locations A, M and B of the same wafer must meet a double equality: 1) shortening of the wafer during inflation;
  • the lengths L 1 and L 2 are the "steps" of winding the fiber over its diameter, respectively before and after inflation, the pitch being the distance necessary for a fiber wound at the same angle to wind on a turn.
  • a fiber that is laid at an angle ⁇ 1 on a diameter D 1 will take an angle ⁇ 2 when the diameter increases to reach the diameter D 2 .
  • L1 is the pitch of the fiber before inflation on the diameter D1
  • L2 is the pitch of the fiber after inflation on the diameter D 2 .
  • the fibers If the density of the fibers is important, they behave as an incompressible volume and deformable under the action of pressure. There is conservation of the volume of the slice, before and after inflation.
  • the diameters DA 1 and DA 2 are known.
  • the width 11 is given (width of the virtual slice before inflation)
  • the width 12 is determined by the shortening ratio of the slice L2 / L1 by the equality:
  • L ⁇ el thickness is known: it is the thickness of the fibrous layer in the given slice.
  • Dm2 the winding diameter of the fiber after inflation (not known).
  • D m2 D A2 + (D m -D A1 ) x ⁇ -
  • This angle ⁇ ml is therefore the laying angle of the fiber on a diameter Dm of the fibrous structure.
  • the inner diameter D A1 of the fibrous structure goes from 90 mm to a diameter D A2 of 130 mm.
  • angles before inflation of the fibers positioned respectively at the points M and B of the slice T3 of the fibrous structure, will have to be respectively of 31,60 ° and 33.15 ° to respect the equalities allowing an identical tension when the internal diameter of the fibrous structure passes during inflation from 90 mm to 130 mm.
  • Angle of the fiber, with respect to the axis, positioned at the point A 40 °, the angles before inflation of the fibers, positioned respectively at the points M and B of said slice T2, of the fibrous structure, must respectively be 41 , 2 ° and 42.3 ° to respect equalities allowing an identical tension when the internal diameter of the fibrous structure passes during the inflation from 90 mm to 110 mm.
  • the diameter, after inflation, of the fibrous structure situated at the level of the slice T3 is greater than the diameter of the fibrous structure of the slice T2 because of the locking angle close to 55 ° which the fibers take when they are are subjected to internal pressure with background effect.
  • the calculations are thus made, slice by slice, fibrous layer by fibrous layer, to allow each fiber of the structure to be mechanically solicited almost identically.
  • the same support could be provided with a pair of fibrous structure sleeves, each in accordance with those of the invention, these sleeves being carried by the same support but axially offset, so as to isolate from each other three portions of the well or of the pipe, in particular to test or treat the wall of the intermediate portion, as is known per se (see for example the documents US 4,815,538 and FR 2,710,155).
  • the fine and long fibers, with high mechanical strength, which constitute the fibrous structure could be “nanofibers", without going beyond the scope of the present invention.

Abstract

Ce dispositif comporte un manchon radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, afin de se plaquer hermétiquement contre la paroi du puits ou de la canalisation ce manchon étant fixé à des organes d'extrémité, ; il est remarquable en ce que ledit manchon (2) comprend, d'une part, une paire de membranes cylindriques (20, 21) à paroi souple et élastique, emmanchées coaxialement l'une dans l'autre, l'une (20) intérieure, destinée à être soumise intérieurement à la pression du fluide de gonflage, l'autre (21) extérieure, destinée à s'appliquer contre la paroi (C) du puits ou de la canalisation pour réaliser l'étanchéité, et, d'autre part, intercalée entre lesdites membranes (20, 21), au moins une structure annulaire fibreuse très dense (5) formée d'une multitude de fibres fines et longues, à haute résistance mécanique, qui relient lesdits organes d'extrémité (3, 4) et qui sont enroulées hélicoïdalement autour de la membrane intérieure (20), cet enroulement étant tel que la densité des fibres diminue de chaque extrémité vers la portion centrale. La structure fibreuse sert à la fois de structure de renforcement mécanique, pour supporter les efforts de pression élevés, et de filtre pour éviter toute extrusion de la paroi du manchon. Industrie pétrolière.

Description

DISPOSITIF D'ETANCHEITE SERVANT A OBTURER UN PUITS OU UNE
CANALISATION
La présente invention concerne un dispositif d'étanchéité destiné à assurer l'obturation temporaire d'un puits, notamment de pétrole, ou d'une canalisation.
Un tel dispositif, bien connu dans le domaine technique du forage et de l'exploitation des gisements de pétrole, est usuellement désigné par le terme français de « obturateur gonflable » ou plus souvent par le terme anglais « packer ». Il est destiné à séparer provisoirement l'une de l'autre deux portions contiguës du puits ou de la canalisation, par exemple pour effectuer des investigations ou des réparations dans l'une de ces portions. L'invention s'adresse plus particulièrement à un dispositif d'étanchéité de ce genre, sous forme d'un obturateur gonflable qui est portée par un support destiné à être introduit dans le puits ou de la canalisation. Un tel dispositif comporte généralement : Au niveau de la zone déformable : - Une « membrane d'étanchéité » tubulaire et gonflable, de section circulaire, en matériau étanche, souple et élastique, radialement déformable vers l'extérieur sous l'action d'une pression de fluide interne, afin de s'appliquer hermétiquement contre la « structure mécanique » ; - Une « structure mécanique » dont la fonction est de résister aux forces exercées par la pression de gonflage appliquée à la membrane d'étanchéité, cette structure mécanique pouvant être équipée d'un dispositif dit « anti-extrusion » dont la fonction est d'éviter l'extrusion de la membrane d'étanchéité au travers de la structure mécanique ;
- Une « peau extérieure » tubulaire en matériaux souple et élastique radialement déformable par le mouvement de la structure mécanique. Au niveau de ses extrémités :
- Une « liaison étanche » assurant l'étanchéité de la membrane d'étanchéité avec l'extrémité ; - Une « liaison mécanique axiale » assurant la fixation de la structure mécanique sur l'extrémité et reprenant l'ensemble des forces de composante axiale crée par la pression de gonflage
- Un « anneau de maintien radial » assurant le maintien radial de la structure mécanique quand elle est soumise à la pression de gonflage.
Au repos, les diamètres du dispositif et de l'obturateur sont inférieurs à celui du puits ou de la canalisation.
Une fois que le dispositif a été positionné dans la zone voulue, le gonflage de l'obturateur est généralement réalisé par pompage d'un liquide, tel que de l'eau, un hydrocarbure, et/ou de la boue présente à l'intérieur du puits ou de la canalisation.
Ce fluide est porté à une pression élevée, apte à provoquer l'expansion de la membrane et de la structure mécanique et de plaquer fermement la peau extérieure contre la paroi de la zone en question afin de l'obturer hermétiquement de manière temporaire ou définitive.
Lors du gonflage, l'obturateur se dilate radialement et se raccourcit à la fois suivant la géométrie de fabrication de la structure mécanique ;
Une fois les opérations d'investigation et/ou de réparation terminées, on dégonfle l'obturateur, et on retire le dispositif.
Il peut bien sûr être utilisé à nouveau ultérieurement pour obturer ensuite une nouvelle zone du même puits ou de la même canalisation, ou être transféré vers un autre site, dans un nouveau puits ou dans une nouvelle canalisation, pour y remplir la même fonction. A titre indicatif, dans une application du domaine pétrolier, l'obturateur a généralement une longueur de l'ordre de 1 à 4 m environ, un diamètre externe initial (non gonflé) compris dans une fourchette de 70 mm à 150 mm environ, et une épaisseur de paroi (membrane, structure mécanique et peau extrieure non gonflées) comprise dans une fourchette de 15 mm à 25 mm environ. Le matériau constitutif de la membrane est généralement du caoutchouc naturel ou synthétique.
Le gonflage convenable de l 'obturateur requiert la mise en œuvre d'une pression interne relativement élevée, dont la valeur, toujours à titre indicatif, est usuellement de l'ordre de 3.107 à 4. 107 Pascal (30 à 40 MPa). La paroi de la membrane se trouve donc exposée durant le gonflage à des efforts très important qui risque de la détériorer, voire même de la faire exploser. La structure mécanique a pour fonction de résister mécaniquement aux efforts de la pression.
La structure mécanique est généralement composée soit de câbles, soit de lames métalliques. Le matériau de la peau extérieure est généralement du caoutchouc naturel ou synthétique.
Dans la suite du présent exposé, on entendra par:
- Le terme "fibre" : une formation cylindrique élémentaire de très petit diamètre, de l'ordre de 0,01 à 0,02 mm par exemple, généralement en matière synthétique ou organique et le plus souvent rassemblée sous forme de fil ou de mèche.
- Le terme "fil" désigné en anglais dans le métier par le mot "yarn": brin long et de petit diamètre, de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm par exemple, constitué de la réunion de fibres tordues et filées ensemble.
- Le terme "mèche" désigné en anglais dans le métier par le mot "roving": brin long et de petite section (inférieure à 1 mm2), constitué de la réunion de fibres parallèles.
- Le terme "câble": faisceau de fils d'acier ou en matière synthétique, tressés ensemble, dont le diamètre est supérieur à 0,5 mm.
Il existe actuellement deux grandes catégories de dispositif d'étanchéité expansible connus. a) Le premier type, appelé « dispositif d'étanchéité à câbles » utilise des câbles d'acier ou en matière synthétique, de diamètre compris entre 1 et 4 mm, enroulés en hélice dans la paroi du dispositif d'étanchéité et fixés à leurs extrémités par des moyens de liaison par coincement, sertissage ou collage grâce à des résines de type époxy. Les câbles sont enveloppés dans une matrice souple et déformable, à base de caoutchouc ou de silicone par exemple.
Dans un mode de réalisation connu, il est prévu une paire de nappes de renforcement concentriques, composées chacune d'une série de câbles souples parallèles, enroulés en hélice avec un pas élevé (c'est-à-dire avec une faible inclinaison par rapport à l'axe longitudinal du dispositif), les câbles des deux nappes ayant une inclinaison d'une valeur d'angle voisine, mais de sens contraire.
Cet angle est initialement, c'est-à-dire avant gonflage de la membrane, par exemple, de l'ordre de 10 à 18°; il croît au cours du gonflage de la membrane pour atteindre une valeur finale de l'ordre de 35 à 40°. Dans les dispositifs élaborés, il est prévu au moins une troisième nappe similaire (nappe auxiliaire), disposée coaxialement aux deux autres, vers l'intérieur de la membrane, mais composée de câbles plus fins, de diamètre compris entre 0,5 et 1 mm, et plus rapprochés les uns des autres que ceux des nappes (principales) extérieures.
La fonction de cette nappe auxiliaire est de s'opposer au phénomène dit d'extrusion, lié au fluage de la matière constitutive de la paroi de la membrane, de l'intérieur vers l'extérieur, sous l'action de la pression interne très élevée, qui risque de provoquer la formation d'une hernie traversant les interstices entre certains fils de renforcement des nappes principales et conduisant à une rupture de la paroi.
Les câbles constitutifs des deux premières nappes, dites principales ont donc pour fonction la tenue mécanique de la membrane, tandis que ceux de la nappe intérieure auxiliaire font office de barrière anti-extrusion. Dans ce genre de dispositif, la densité de câble est pratiquement identique d'une extrémité à l'autre, tout au long de l'axe de l'obturateur. b) Le deuxième type, appelé « dispositif d'étanchéité à lamelles », utilise de longues lamelles en acier, disposées parallèlement à l'axe du dispositif d'étanchéité, se recouvrant partiellement les unes sur les autres à la manière de tuiles.
Lorsque le dispositif d'étanchéité se gonfle, ces lamelles glissent les unes par rapport aux autres, comme les lamelles d'un store vénitien, tandis que leur orientation varie.
L'ensemble des lamelles a une configuration annulaire, cylindrique. Cet ensemble est intercalé entre deux membranes annulaires, l'une intérieure qui réalise l'étanchéité avec le liquide de gonflage, l' autre extérieure qui réalise l'étanchéité contre la paroi du puits ou du chemisage dont est garni le puits.
Dans ce genre de dispositif, qui est décrit par exemple dans le document US 3 604 732, les lamelles métalliques ont la double fonction de résistance mécanique et de barrière anti-extrusion.
Dans les deux cas, la force exercée par la pression dans les zones d'extrémité (au voisinage de chaque anneau de maintien radial), dans le sens perpendiculaire à l'axe du dispositif d'étanchéité, est considérable, ce qui nécessite l'utilisation d'extrémités métalliques épaisses et augmente en conséquence l'encombrement radial du dispositif d'étanchéité. Par ailleurs, la densité de la structure anti-extrusion, qui est identique tout le long du dispositif, montre une faiblesse au niveau des zones transitoires, situées entre les zones d'extrémité susmentionnées et la zone d'appui de la peau extérieure avec la paroi du puits ou de la canalisation ; or, c'est dans ces zones transitoires que le système anti-extrusion est le plus sollicité du fait, d'une par,t de l'écartement des câbles à cet emplacement et, d'autre part, du fait que la structure mécanique n'est pas soutenu par la paroi.
Tous ces dispositifs d'étanchéité doivent répondre à des contraintes contradictoires qu'exigent les conditions rencontrées dans les puits. Ils doivent en particulier : a) supporter plusieurs cycles de gonflage dégonflage tout en conservant une dimension proche de leur dimension initiale; b) pouvoir accepter des taux de déformation importants, pouvant aller jusqu'à 3 :1; c) présenter un encombrement radial réduit pour pouvoir être posés à travers des restrictions ayant un diamètre limité; d) supporter des pressions de gonflage différentielles importantes, de valeur pouvant atteindre 30 à 40 MPa; e) pouvoir être posés dans des environnements agressifs, aussi bien sur le plan des températures, qui peuvent dépasser 180°C, que celui de la corrosion car ils sont exposés à divers fluides (eau, pétrole et gaz, notamment)
Ces deux types de dispositifs d'étanchéité susmentionnés , quoique largement utilisés, présentent chacun des inconvénients, que la présente innovation vise à résoudre. Le premier type de dispositif a de bonnes qualités de mémoire et peut supporter plusieurs cycles de gonflage et de dégonflage tout en conservant une dimension proche de sa dimension initiale. Cependant, ses performances sont limitées en termes de tenue en température et de pression de gonflage en raison, d'une part, de la densité limitée de câbles utilisés pour la fonction mécanique et, d'autre part, de la présence d'espaces entre les câbles qui sont censés assurer la fonction anti-extrusion au niveau de la zone située entre les extrémités métalliques et la paroi.
De plus, le double arrangement de câbles, enveloppés dans la matrice souple, présente un encombrement relativement important augmentant la dimension radiale du dispositif d'étanchéité avant gonflage. Le dispositif décrit dans le document US 5 340 626 propose un arrangement particulier de câbles visant à atténuer ces inconvénients.
Ceux-ci présentent des angles d'enroulement différents aux extrémités et en partie centrale, de façon à limiter la force exercée sur les organes d'extrémité et ainsi de réduire l'encombrement de ces mêmes organes. Ce dispositif résout le problème lié à l'extrusion par un ensemble particulier de fibres courtes dont le but est de limiter l'extrusion de la matrice élastique à travers les câbles de tenue mécanique. Le dispositif décrit ne résout le problème de l'extrusion de la membrane étanche au travers de la structure mécanique que par l'ajout d'une structure composée de fibres courtes ce qui, au niveau de la zone immédiatement après l'appui sur la paroi n'est pas suffisant quand les contraintes d'expansion, de pression et de température deviennent importantes.
Le second type de dispositif, à lamelles, possède une meilleure tenue à la pression et à la température que le premier, et son encombrement radial est relativement faible.
En revanche, il a une très faible propension à revenir à sa dimension initiale après un cycle de gonflage-dégonflage.
Bien qu'intéressants, aucun de ces deux types de dispositifs connus ne permet de répondre de façon complètement satisfaisante aux besoins des dispositifs d'étanchéité utilisés dans des conditions difficiles, en satisfaisant aux différentes contraintes rappelées plus haut.
La présente invention a pour objectif de combler cette lacune, en proposant un troisième type de dispositif d'étanchéité utilisant une structure fibreuse. L'obturateur d'étanchéité faisant l'objet de l'invention, dont la fonction est d'obturer un puits ou une canalisation, comporte, de manière classique, un manchon fixé à des organes d'extrémité et radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, afin de se plaquer hermétiquement contre la paroi du puits ou de la canalisation, le manchon étant lui-même composé d'une membrane d'étanchéité, d'une structure mécanique et d'une peau extérieure.
Ce dispositif est remarquable par le fait que ledit obturateur en forme de manchon comprend, d'une part, une paire de membranes cylindriques à paroi souple et élastique, emmanchées coaxialement l'une dans l'autre, l'une intérieure, destinée à être soumise intérieurement à la pression du fluide de gonflage, l'autre extérieure, destinée à s'appliquer contre la paroi du puits ou de la canalisation pour réaliser l'étanchéité, et, d'autre part, au moins une structure annulaire fibreuse très dense formée d'une multitude de fibres fines et longues à haute résistance mécanique, qui relient lesdits organes d'extrémité et qui sont enroulées hélicoïdalement autour de la membrane intérieure, selon un axe qui est confondu avec l'axe longitudinal de symétrie du manchon, et que cette structure fibreuse, d'une part présente une certaine épaisseur et, d'autre part, est intercalée entre les dites membranes, et qu'en outre l'angle d'enroulement des fibres par rapport à la direction dudit axe longitudinal de symétrie a une valeur notablement supérieure dans les portions d'extrémité du manchon que dans la portion centrale de celui-ci, la transition entre les deux portions se faisant progressivement, avec des angles ayant une valeur intermédiaire, cet enroulement étant tel que la densité des fibres diminue de chaque extrémité vers la portion centrale, l'angle d'inclinaison des fibres avant expansion étant calculé tranche par tranche de telle façon que dans chacune des tranches annulaire de la structures le taux de raccourcissement après expansion radiale du manchon soit sensiblement constant sur toute l'épaisseur de ladite tranche.
Ainsi, les fibres, mèches, fils ou câbles de cette structure ont une densité supérieure aux extrémités (par rapport à celle de la partie centrale) du manchon et leur angle de pose est calculé de telle façon qu'ils se comportent pratiquement tous de la même façon quand on applique une pression à l'intérieur de l'obturateur et qu'ils soi ent sollicités mécaniquement tous ensemble, avec une contrainte identique ou quasi identique.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la densité de la structure annulaire fibreuse est telle qu'après expansion radiale du manchon, les dites fibres sont jointives, ou pratiquement jointives, de sorte que la structure assure à la fois le renforcement mécanique, pour supporter les efforts de pression élevés, et de filtre anti-extrusion pour éviter toute extrusion de la membrane intérieure entre ces fibres sous l'effet de pression.
Ainsi, elle joue à la fois le rôle de structure mécanique et le rôle de structure anti-extrusion. La densité de fibres est donc rendue variable par rapport à l'axe du manchon en jouant sur l'angle d'enroulement des fibres.
Avant gonflage les fibres sont avantageusement posées à une valeur de l'ordre de 45° à 60° dans les portions d'extrémité du dispositif d'étanchéité, et à une valeur de l'ordre de 15 à 30° dans la portion centrale de celui-ci, la transition entre les deux portions se faisant progressivement, avec des angles ayant une valeur intermédiaire. Les angles sont considérés par rapport à l'axe longitudinal du dispositif.
Par ailleurs une caractéristique de l'invention est que l'angle d'arrangement des fibres est calculé de telle manière que chaque fibre est sollicitée mécaniquement de façon à être tendue quand une pression est appliquée dans l'obturateur, et ceci quelle que soit la position de la fibre par rapport à l'axe de l'obturateur ou par rapport à sa position dans l'épaisseur de la structure fibreuse.
La grande quantité de fibres, notamment au niveau des zones d'extrémités, associée à la tension de chaque fibre permet de limiter de façon radicale les espaces entre fibres et ainsi d'éviter toute extrus ion de la membrane d'étanchéité.
Un des avantage de l'invention est ainsi de ne pas recourir à un système anti-extrusion autre que la structure fibreuse utilisée en tant que structure mécanique, ce qui permet de limiter l'épaisseur de l'obturateur. De plus, l'angle de pose des fibres, plus important aux extrémités qu'à la partie centrale, permet de diminuer, voire de supprimer, l'anneau de maintien radial.
La densité de fibres plus faible dans la partie centrale permet d'obtenir une meilleure déformation de cette zone à l'emplacement où c'est nécessaire (la zone de contact avec la paroi) sans risquer une rupture, car c'est la zone ou l'obturateur est le moins sollicité.
L'angle de pose des fibres, avant gonflage, étant variable d'une extrémité à l'autre, il est nécessaire de segmenter (virtuellement) l'obturateur en tranches minces, par exemple de 10 mm de largeur, de façon à effectuer des calculs en considérant que l'angle de chaque fibre ne varie pas sur la largeur de la tranche. Cette particularité permet de solliciter chaque fibre et de les tendre de façon identique, ou quasi identique, lors de la mise en pression.
Cela signifie, traduit en termes de géométrie, que, dans une tranche considérée, chaque fibre a un mouvement de raccourcissement radial identique, lorsqu'on passe de l'état dégonflé à l'état gonflé. Les calculs sont réalisés sur des tranches découpées (virtuellement) perpendiculairement à l'axe et sont d'une épaisseur suffisamment faible (inférieur à lcm par exemple) pour permettre une bonne précision de calcul par rapport à la variation d'angle des fibres sur l'axe de l'obturateur.
Par ailleurs, selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses, mais non limitatives, de l'invention : - la densité des fibres au sein de ladite structure fibreuse, considérée dans un plan de coupe transversal (au manchon), est comprise entre 100 et 45 000/ mm2' et est de préférence de l'ordre de 10 000 / mm2 ;
- la structure fibreuse est composée d'une pluralité de mèches ou de fils indépendants les uns des autres et posés ensemble, les uns contre les autres, de façon à constituer une structure dense et homogène.
- ladite structure fibreuse est formée de plusieurs nappes concentriques contiguës, et les orientations angulaires des fibres constitutives de deux nappes contiguës sont contraires ; - certaines au moins desdites mèches ou fils sont communes à plusieurs nappes;
- le dispositif comporte, emprisonné entre lesdites membranes intérieure et extérieure, un agent très faiblement compressible, liquide ou pâteux, et relativement fluide, dans lequel baignent les fibres constitutives de la structure fibreuse;
- cet agent est une huile, une graisse, ou de la résine de silicone;
- les fibres constitutives de ladite structure fibreuse sont enrobées dans un matériau solide mais présentant des caractéristiques de souplesse et d'élasticité élevées, qui n'affecte pas l'aptitude à la libre déformation de cette structure relativement aux membranes qui l'entourent.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : Les figure s 1 et 2 sont des vues schématique, en coupe axiale, d'un dispositif d'étanchéité classique placé à l'intérieur d'un puits ou d'une canalisation à obturer, avant et, respectivement, après gonflage.
Les figures 3 A et 3B sont des vues de côté schématiques et partiellement coupées, et avec arrachements de certains éléments, représentant chacune une portion d'extrémité d'un dispositif conforme à l'invention, ces vues étant essentiellement destinées à montrer l'enroulement d'une mèche ou d'un fil de fibres sur la membrane intérieure.
La figure 4 est une vue en coupe axiale montrant un mode de fixation préféré du manchon sur un organe d'extrémité. La figure 5 est une vue de côté schématique, avec arrachements de certains éléments, de la zone centrale du dispositif, montrant deux nappes contiguës de mèches.
La figure 6 est une vue partielle, en perspective et en coupe, du même dispositif, illustrant l'interposition de quatre nappes de mèches entre les membranes intérieure et extérieure.
La figure 7 représente le même dispositif en demi coupe transversale.
La figure 8 est un détail, à plus grande échelle, de la figure 7.
Les figure s 9 et 10 sont des détails montrant deux configurations différentes possibles de mèches ou de fils de deux nappes contiguës.
Les figures 9A et 9B sont des vue de détail, en perspective et à grande échelle, de deux nappes contiguës constituées de mèches et, respectivement, de fils, superposé(e)s, le plan de coupe étant un plan "brisé" en forme de dièdre portant la référence W-W sur la figure 9. Les figur es 9 C et 10A sont des vues de détail similaire s aux précédentes, montrant des nappes fibreuses superposées, selon deux configurations différentes.
La figure 11 est un schéma montrant la manière dont une mèche ou un fil peut être enroulé de manière à appartenir à deux nappes contiguës. Les figures 12 et 13 sont des schémas représentants deux configurations différentes possibles du dispositif, à l'état gonflé, dans lesquelles la portion centrale du manchon est disposée en partie médiane et, respectivement, décalée longitudinalement par rapport à un plan de symétrie transversal.
La figure 14 est une vue partielle, en coupe transversale, qui représente une variante du dispositif pourvue de deux structures fibreuses.
La figure 15 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention, en coupe axiale, les demi vues inférieure et supérieure correspondant respectivement à l'état non gonflé et gonflé de l'obturateur.
La figure 16 est un schéma destiné à expliquer le calcul des angles de pose d'une fibre, tranche par tranche.
Les figures 17 et 18 sont des schémas d'une fibre supposée déroulée, correspondant à un pas, respectivement avant et après gonflage.
Sur la figure 1, on a désigné par la référence C la paroi d'un puits, par exemple d'extraction de pétrole, ou d'une canalisation. Cette paroi, cylindrique, d'axe X-X', peut consister, lorsqu'il s'agit d'un puits, en la paroi brute du puits foré, ou en la paroi d'un chemisage en acier ou en matière synthétique si le puits est tube.
Son axe X-X' est disposé horizontalement sur la figure pour simple raison de commodité de représentation.
Son orientation, bien évidemment, pourrait être différente, en particulier verticale ou oblique.
Le dispositif d'étanchéité 1 comprend essentiellement un manchon cylindrique 2 centré sur l'axe X-X' et porté par une paire d'organes de retenue 3, 4. Ces derniers sont des rondelles d'extrémité rigides, par exemple en acier, reliées l'une à l'autre par le manchon 2.
Ce manchon possède une paroi souple et élastiquement déformable.
Ses extrémités sont obturées par les rondelles 3 et 4, qui y sont fixées de manière étanche, par exemple par collage. Les dimensions d'un tel dispositif peuvent être très différents selon les applications.
A titre purement indicatif, le manchon (non gonflé) a par exemple une longueur « 1 » égale à 2,5 m, un diamètre « d » égal à 120 mm, et une épaisseur de paroi « e » égale à 20 mm. Un appareillage de type connu, non représenté, permet de déplacer le dispositif à l'intérieur du puits afin de le positionner en regard de la zone à obturer, et d'introduire un liquide de gonflage sous pression élevée à l'intérieur du manchon 2.
A cet effet, la rondelle 3 est munie d'un conduit 30 d'amenée du liquide.
Sur la figure 2, cette introduction de liquide sous pression est symbolisée par la flèche P, et la pression interne a pour effet de déformer radialement la paroi du manchon vers l'extérieur, de sorte que sa partie centrale se plaque fermement, de façon étanche, contre la paroi C, comme cela est symbolisé par les flèches f sur la figure 2.
A titre indicatif, la pression de gonflage peut atteindre une valeur de l'ordre de 3.107 à 4. 107 Pascal environ.
L'expansion radiale du manchon entraîne une diminution de sa longueur, ce qui rapproche l'une de l'autre les rondelles 2 et 3. II est souhaitable que le taux de déformation diamétral du manchon soit au moins de 3 : 1 (triplement du diamètre). Le dispositif est donc soumis à des contraintes mécaniques importantes, ceci dans un milieu souvent agressif et à des températures élevées.
De plus, un même dispositif doit pouvoir être utilisé plusieurs fois à l'intérieur d'un même puits ou d'une même canalisation, par exemple une vingtaine de fois, pour permettre de procéder à des investigations données, par exemple pour mesurer la porosité de la paroi, en différentes zones axialement éloignées.
Après chaque cycle de gonflage -dégonflage, le manchon doit revenir à un diamètre proche de son diamètre initial, ce qui suppose qu'il possède de bonnes qualités élastiques. Conformément à l'invention, comme on le voit notamment sur la figure 7, le manchon 2 comprend une paire de membranes cylindriques emmanchées coaxialement l'une dans l'autre, l'une 20 intérieure, destinée à être soumise intérieurement à la pression du fluide de gonflage, l'autre 21 extérieure, destinée à s'appliquer contre la paroi C du puits ou de canalisation pour réaliser l'étanchéité.
Ces membranes 20 et 21, à paroi souple et élastique, sont avantageusement toutes deux réalisées dans des matériaux élastomères ; cependant celles-ci n'ont pas forcément la même composition, car les deux membranes ne sont pas exposées aux mêmes fluides ni soumises aux mêmes contraintes. Les variétés d'élastomère les mieux adaptées peuvent ainsi être choisies en fonction des différentes applications.
Entre ces deux membranes est intercalée une structure annulaire fibreuse très dense 5 formée d'une multitude de fibres longues , et de très faible section, à haute résistance mécanique. Chacune de ces fibres relie les deux organes d'extrémité 3 et 4, auxquelles elle est fixée par ses portions d'extrémité, et est enroulée hélicoïdalement autour de la membrane intérieure 20, l'axe de l'hélice ainsi formée étant confondu avec l'axe longitudinal de symétrie X-X' du manchon.
La membrane intérieure 20 assure l'étanchéité. La membrane 21 est la peau extérieure destinée à s'appliquer contre la paroi du puits ou de la canalisation afin de l'obturer lorsque le dispositif est gonflé.
La peau extérieure 21 peut être plus courte que la membrane intérieure 20 et que la structure intercalaire 5, seuls ces deux derniers éléments étant dans ce cas emprisonnés et retenus de manière classique, par un anneau de maintien radial, sur les organes d'extrémité 3 et 4. Comme on le voit sur les figures 9, 10, 9 A et 9B, l'ensemble de ces fibres peut être subdivisé en un grand nombre de mèches ou de fils regroupant côte à côte une pluralité de fibres, ces mèches constituant des sous ensembles indépendants, présentant une section non négligeable, par exemple de quelques mm2, de sorte qu'elles sont nettement plus faciles à manipuler, et notamment à enrouler, que des fibres individuelles.
Suivant la figure 9A, au sein d'une mèche, les fibres peuvent être simplement juxtaposées, sans être solidarisées les unes des autres, formant alors un brin de fibres similaire à une filasse, du type usuellement désigné dans le métier par le terme anglais "roving".
Suivant la figure 9B, elles peuvent, au contraire, être liées les unes aux autres, par torsade ou entrelacement formant alors un brin de fibres similaire à un fil, du type usuellement désigné dans le métier par le terme anglais "yarn".
Par mesure de simplification, dans chaque cas, on désignera ces mèches ou ces fils par le mot générique "mèche" dans la suite de la présente description et dans les revendication, que les fibres constitutives du brin en question soient libres, torsadées, entrelacées ou non.
Dans l'exemple illustré aux figures 6 à 8, 9C et 10A, la structure fibreuse 5 est composée de quatre nappes concentriques annulaires désignées, de l'intérieur vers l'extérieur, par les références 5.1, 5.2, 5.3 et 5.4.
Chacune de ces nappes est formée d'une pluralité de mèches 50, 50' juxtaposées, c'est-à-dire placées les unes contre les autres, et superposées.
La valeur de l'angle d' enroulement des mèches 50 ' constitutives d'une nappe (5.2 ou 5.4) est avantageusement très proche de la valeur de l'angle des mèches 50 constitutives de la nappe (5.1 ou, respectivement 5.3), qui lui est contiguë, mais leurs sens sont contraires, comme le montre la figure 6.
En pratique les angles ont des valeurs très légèrement croissantes lorsqu'on s'éloigne de l'axe X-X'.
Dans la région centrale du manchon, sur une longueur plus ou moins importante, qui correspond à la zone destinée à s'appliquer contre la paroi C, cet angle (défini par rapport à la direction longitudinale X-X') a une valeur constante, relativement faible, inférieure à 30°.
En revanche, elle est notablement plus élevée dans les portions d'extrémité, comprise avantageusement entre 45 et 60° et, par exemple voisine de 50°. Entre la région centrale et les portions d'extrémité, l'angle a une valeur progressivement croissante.
La détermination de cette variation d'angle sera expliquée en détail plus loin, en référence aux figures 15 à 18. Les figures 3A et 3B montrent le mode d'enroulement d'une mèche
50 autour de la membrane intérieure 20.
Les rondelles 3 et 4 possèdent une partie centrale cylindrique , ou noyau, 31, respectivement 41, sur laquelle est emmanchée sans jeu et collée la paroi interne de la membrane cylindrique 20. Au niveau de ces noyaux 31, 41, la mèche 50 est enroulée annulairement sur quelques tours. La mèche est également fixée à ce niveau par collage sur la membrane 20 ; de plus un collier 6 assure le serrage de la portion d'extrémité de la membrane 21 contre cet enroulement, et contre la portion d'extrémité de la membrane intérieure 20, assurant la solidarisation de l'ensemble contre le noyau. Avantageusement, la membrane extérieure cylindrique 21 est également collée autour de la portion d'extrémité de la membrane intérieure 20.
Avantageusement, comme illustré sur la figure 4, la structure fibreuse 5 est fixée directement sur le noyau 31 au moyen du collier de serrage 6', tandis que l'extrémité de la membrane intérieure 20 est collée sur ce même noyau. La portion d'extrémité de la membrane extérieure 21 est ainsi conformée qu'elle présente une gorge interne qui reçoit la bague 6' et qui est bordée par un talon d'extrémité annulaire 210 collé sur le noyau 31 et une saillie annulaire profilée 211 s'appliquant contre la structure fibreuse 5 afin de l'épauler lorsqu'elle se déforme par suite du gonflage du manchon. Un système de montage similaire est naturellement prévu à l'extrémité opposée, sur l'organe de retenue 4.
D'une extrémité à l'autre du manchon, la mèche 50 est enroulée en hélice sur la membrane 20.
Le pas de cette hélice est variable. A chaque extrémité de la mèche 50 , dans les zones où elle se raccorde avec les rondelles 3 et 4, ses tronçons 50a, respectivement 50c, et donc les fibres qui la composent, forment par rapport à la direction X-X' un angle o dont la valeur est proche de 54°.
Entre ces tronçons d'extrémité, la partie principale (centrale) 50b de la mèche 50 (et donc des fibres qui la composent) forme, par rapport à la direction X-X', un angle β dont la valeur est comprise entre 10 et 18°. Elle est par exemple égale à 12°.
La transition entre la partie centrale faiblement inclinée 50b et les extrémités 50a et 50c se fait avec une angulation progressivement variable. Comme le montrent les figures 9A et 9B, chaque nappe est formée d'une pluralité de mèches de fibres adjacentes et superposées ainsi orientées.
Les fibres sont souples, et ont une section circulaire.
Leur diamètre est avantageusement de l'ordre de 10 à 20 μm.
Dans ce cas, leur densité au sein de la structure fibreuse, considérée en coupe transversale, est comprise entre 3 000 et 12 000 fibres/mm2.
Ce sont par exemple des fibres de carbone.
La structure fibreuse 5 a une paroi qui sert tout à la fois de structure mécanique pour supporter les efforts de pression, grâce à la très grande densité des fibres, et de filtre pour éviter toute extrusion de la membrane d'étanchéité intérieure 20, grâce au faible diamètre de ces mêmes fibres.
Avantageusement, la structure fibreuse 5 n'est pas noyée au sein de la matière constituant la paroi du manchon 2. Elle en est indépendante, et libre de se dilater ou de se contracter convenablement en fonction des contraintes qui lui sont appliquées sans être tributaire de la déformation de la matière élastique qui l'entoure.
Les deux membranes 20, 21 étant également indépendantes l'une de l'autre, elles sont mobiles au cours de leur expansion et de leur rétraction aussi bien l'une par rapport à l'autre que par rapport à la structure fibreuse qu'elles entourent, ce qui favorise également la conservation de leurs propriété élastiques. Afin d'éviter un phénomène de glissement axial des membranes 20 et
21 par rapport à la structure fibreuse 5, et dans le cas d'une structure fibreuse à nappes multiples, on peut néanmoins envisager des liaisons, par exemple par adhérisation, de la nappe fibreuse extérieure avec la face interne de la membrane extérieure 21 et de la nappe fibreuse intérieure avec la face externe de la membrane intérieure 20, les nappes intermédiaires demeurant libres.
L'orientation des fibres telle qu'indiquée plus haut permet de limiter, voire de supprimer, toute force radiale appliquée sur les extrémités lorsque le dispositif d'étanchéité est gonflé.
Les caractéristiques de l'invention permettent de résoudre la plupart des problèmes exposés dans le préambule de la présente description, liés à l'utilisation des dispositifs d'étanchéité dits à « câbles » ou à « lamelles ». Le dispositif est capable de supporter plusieurs cycles de gonflage- dégonflage, tout en conservant une dimension proche de ses dimensions initiales, grâce à la capacité que possède la structure fibreuse de se déformer dans le sens radial quand le dispositif est gonflé, et de revenir à sa position initiale lorsqu'il est dégonflé.
La structure fibreuse peut subir des taux de déformations importants permettant au dispositif d'étanchéité d'aller au-delà d'un taux de déformation de 3 :1.
L'encombrement radial du dispositif est réduit du fait de la densité fibreuse importante et de la non utilisation d'un dispositif anti-extrusion additionnel.
Grâce à l'utilisation de fibres à haute résistance mécanique à la traction, les pressions de gonflage peuvent être extrêmement élevées.
En référence à la figure 8, et à simple titre d'exemple dimensionnel possible, pour une épaisseur e de la paroi du manchon 2 égale à 20 mm, la membrane intérieure 20 a une épaisseur i de l'ordre de 5 mm, la structure annulaire fibreuse 5 a une épaisseur k également de l'ordre de 5 mm, tandis que la membrane extérieure 21 a une épaisseur j de l'ordre de 10 mm.
Les mèches croisées 50, 50' de deux nappes voisines peuvent être simplement superposées, comme illustré sur les figures 9, 9 A, 9B et 9C.
Elles peuvent être entrelacées, sous forme de tresse par exemple, formant alors une même nappe, comme illustré sur les figures 10 et 10A.
Cette particularité avantageuse permet d'éviter, au cours du gonflage, un glissement axial des fibres les unes par rapport aux autres dans les zones de transition dans lesquelles l'inclinaison des fibres varie, entre leur partie centrale 50b faiblement inclinée et leurs parties d'extrémité 50a et 50c.
Un tel glissement n'est pas souhaité car il risquerait d'entraîner une variation irrégulière du profil du manchon dans ces zones de transition.
Comme illustré sur la figure 11, une même mèche 50 de très grande longueur peut être soumise à des enroulements multiples, afin de former une nappe de mèches croisées.
Dans un mode de réalisation possible de l'invention, non illustré sur les dessins, on injecte entre les deux membranes 20 et 21 un agent très faiblement compressible, liquide ou pâteux, relativement fluide, dans lequel baignent les fibres constitutives de la structure 5. Cet agent est par exemple une huile, une graisse, ou de la résine de silicone, qui demeure emprisonné entre les deux membranes 20, 21.
Sa présence empêche la compression des fibres les unes contre les autres, et facilite leur glissement mutuel, favorisant ainsi l'expansion de la structure fibreuse au gonflage et sa rétraction au dégonflage.
Les figures 12 et 13 représentent deux modes de réalisation différents d'un dispositif conforme à l'invention à l'état gonflé, dans lequel ils obturent hermétiquement un puits ou une canalisation, par application de la partie centrale 2b, 2'b du manchon 2, respectivement 2', contre la paroi C du puits ou de la canalisation.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 12, cette partie centrale 2b s'étend en partie médiane du dispositif, symétriquement de part et d'autre de son plan transversal médian M. Les zones transitoires 2a, 2b, qui relient cette partie centrale aux organes d'extrémité 3 et, respectivement, 4 sont d'égale longueur.
Mais cette disposition symétrique n'est pas obligée.
Dans certaines situations, il peut être intéressant, sans pour cela sortir du cadre de l'invention, d'adopter une configuration telle que celle illustrée sur la figure 13. Dans ce mode de réalisation, la partie centrale 2'b est décalée longitudinalement vers une extrémité du dispositif, en l'occurrence vers l'organe 3, par rapport au plan transversal médian M.
Les zones transitoires 2a, 2b, qui relient cette partie centrale aux organes d'extrémité 3 et, respectivement, 4 ont alors des longueurs différentes. La figure 14 représente une variante dont le manchon est composé de deux structures fibreuses 7, 8 possédant chacune les mêmes caractéristiques que la structure 5 décrite ci-dessus.
Le manchon possède une membrane médiane 22 similaire aux membranes 20 et 21. L'une des structures fibreuses 7 est intercalée entre les membranes intérieure 20 et médiane 22 ; l'autre 8 est intercalée entre les membranes médiane 22 et extérieure 21.
En nous référant plus particulièrement aux figures 15 à 18, nous allons maintenant expliquer comment s'opère le calcul d'angle de pose d'une fibre, tranche par tranche. Sur la figure 15, est représenté un dispositif obturateur dont la peau extérieure 21 est plus courte que la membrane intérieure d'étanchéité 20 et que la couche intermédiaire fibreuse 5, seuls ces deux éléments 20, 5 étant dans ce cas solidarisés à leurs extrémités aux organes métalliques 3 et 4, ceci au moyen d'anneaux de retenue 300, respectivement 400.
La comparaison des demi-vues inférieure et supérieure montre le raccourcissement axial de l'obturateur lorsqu'il est gonflé.
Pour la détermination des angles d'enroulement, on segmente virtuellement l'obturateur en tranches identiques d'une certaine largeur, par exemple de 10 mm, dont deux ont été désignées sur la figure 15, référencées T2, T3 avant gonflage et T'2, T'3 après gonflage (et raccourcissement axial).
La figure 16 montre une tranche, avant et après gonflage, située à un emplacement quelconque de l'axe de l'obturateur.
Les points A, M et B représentent respectivement la position ou les fibres s'enroulent respectivement sur les diamètres DA1, DM1 et DB1 avant gonflage et DA2, DM2 et DB2 après gonflage.
Chaque fibre aura un mouvement de raccourcissement identique si la relation suivante est vérifiée :
DA2 tan(α J _ Dm2 tan(αwl) _ DB2 tan(αgl) DAl tan(αj Dml tan(αw2) Dm tan(αβ2)
Les angles de pose, avant gonflage, de chaque fibre, mèche, fil ou câble doivent donc être calculés, tranche par tranche, de telle façon que, pour toute fibre, d'une même tranche, son raccourcissement, lié au gonflage, soit identique, cette particularité permettant de solliciter chaque fibre de façon quasi identique lors de la mise en pression.
Pour ce faire, et pour une structure fibreuse dense, les fibres positionnées aux emplacements A, M et B d'une même tranche doivent répondre à une double égalité : 1) de raccourcissement de la tranche pendant le gonflage ;
2) de conservation de volume de la structure fibreuse, avant et après gonflage. Première égalité :
Dans la phase de gonflage les fibres suivent un mouvement qui lie leur angle avec leur diamètre d'enroulement. (Voir figures 17 et 18) Les longueurs L1 et L2 sont les «pas » d'enroulement de la fibre sur son diamètre, respectivement avant et après gonflage le pas étant la distance nécessaire pour qu'une fibre enroulée à un même angle s'enroule sur un tour.
Une fibre qui est posé e suivant un angle αl sur un diamètre D1 prendra un angle α2 quand le diamètre augmentera pour atteindre le diamètre D2.
Pour cette fibre dont la longueur L ne varie pas, le mouvement est donné par l'égalité :
D1 Sm(OC1 )
D2 sin(α2 ) Dans laquelle D 1, D2 et l'angle αl sont connus, et dont on déduit l'angle α2.
Par ailleurs le rapport de raccourcissement des pas L2ZL1 est identique au rapport de raccourcissement de la tranche 12/U: Ce taux est donné par l'égalité :
Figure imgf000021_0001
Dans laquelle Ll est le pas de la fibre avant gonflage sur le diamètre Dl, et L2 est le pas de la fibre après gonflage sur le diamètre D2. Connaissant les angles a\ et α2 ainsi que les diamètres D1 et D2, on en déduit le rapport de raccourcissement des pas L2ZL1 ou de la tranche 12/U.
Deuxième égalité:
Si la densité des fibres est importante, elles se comportent comme un volume incompressible et déformable sous l'action de la pression. Il y a conservation du volume de la tranche, avant et après gonflage.
Dans une tranche donnée, la conservation des volumes est donnée par l'égalité :
(D11 X e1 + e1 2)xl1 = (DA2 xe2 + e2 2)xl2
Les diamètres DA1 et DA2 sont connus.
La largeur 11 est donnée (largeur de la tranche virtuelle avant gonflage) La largeur 12 est déterminée par le rapport de raccourcissement de la tranche L2/L1 par l'égalité :
/ - / X L2 h - ιi x τ
L\ L'épaisseur el est connue : c'est l'épaisseur de la couche fibreuse dans la tranche considérée.
On en déduit donc la valeur de e2.
Après la détermination des paramètres de la tranche (calcul de k/U et Q2) il est possible de déterminer pour chaque fibre, positionnée dans sur un diamètre Dm quelconque avant gonflage, son angle αm par rapport à l'axe, de telle façon que son taux de raccourcissement axial 12/I1 soit égal à celui de la tranche.
Déduction de l'angle de pose de chaque fibre avant gonflage:
Pour n'importe qu'elle fibre positionnée sur un diamètre Dm avant gonflage, soient : αml : l'angle de la fibre par rapport à l'axe avant gonflage (non connu) ; αm2 : l'angle de la fibre par rapport à l'axe après gonflage (non connu) ; DmI : le diamètre d'enroulement de la fibre avant gonflage (connu) ;
Dm2 : le diamètre d'enroulement de la fibre après gonflage (non connu).
Il est nécessaire de calculer αml pour que le rapport de raccourcissement axial soit égal à
Figure imgf000022_0001
Des valeurs connues d'e2, els Dm, DA1 et DA2 il est possible de calculer Dn^ :
Dml = DAι + 2xeml
Dm2 = DA2 + 2xem2 Or, em2 = eml x^-
En simplifiant, et en considérant que les valeurs de e\ et 1 sont relativement faibles, par exemple 10 mm pour I1 et 8 mm pour els on peut en déduit la valeur de Dn^ en utilisant la relation suivante : (Un calcul exact pourrait être effectué mais le principe du calcul présenté reste identique)
Dm2 = DA2 + (Dm -DA1 )x^-
Les valeurs de Dml et Dm2 ainsi que la valeur h/h calculées avec la première égalité sont connus.
Il est possible de calculer le rapport des tangentes des angles αml et Om2 qui remplissent cette condition :
tan(αml ) _ L2 ^ Dml tan(αm2 ) L1 Dm2 '
Or il n'y a qu'un angle Om1 qui remplit cette condition.
Cet angle αml est donc l'angle de pose de la fibre sur un diamètre Dm de la structure fibreuse.
Pour donner un exemple, considérons une tranche T3 (voir figure 15), de 10 mm de largeur, positionnée sur l'axe d'un obturateur dont la structure fibreuse avant gonflage a les caractéristiques suivantes:
• DA1 = 90 mm • e\ = 8 mm
• I1 = IO nIm
• Angle de la fibre, par rapport à l'axe, positionnée au point A = 30°.
Après gonflage, le diamètre intérieur DA1 de la structure fibreuse passe de 90 mm à un diamètre DA2 de 130 mm.
Les angles avant gonflage des fibres, positionnées respectivement aux points M et B de la tranche T3 de la structure fibreuse, devront être respectivement de 31,60° et de 33,15° pour respecter les égalités permettant une tension identique quand le diamètre intérieur de la structure fibreuse passe au cours du gonflage de 90 mm à 130 mm.
Pour une nouvelle tranche T2, de 10 mm de largeur, positionnée plus près de l'extrémité de l'obturateur (voir figure 15) telle que la structure fibreuse avant gonflage a les caractéristiques suivantes : • D1 = 90 mm
• βi = 8 mm
• L1 = IO nIm
• Angle de la fibre, par rapport à l'axe, positionnée au point A = 40°, les angles avant gonflage des fibres, positionnées respectivement aux points M et B de ladite tranche T2, de la structure fibreuse, devront être respectivement de 41,2° et de 42,3° pour respecter les égalités permettant une tension identique quand le diamètre intérieur de la structure fibreuse passe au cours du gonflage de 90 mm à 110 mm.
On remarquera que le diamètre, après gonflage, de la structure fibreuse située au niveau de la tranche T3 est supérieur au diamètre de la structure fibreuse de la tranche T2 du fait de l'angle de blocage proche de 55° que prennent les fibres quand elles sont soumise à une pression interne avec effet de fond. Les calculs sont ainsi réalisés, tranche par tranche, couche fibreuse par couche fibreuse, pour permettre à chaque fibre de la structure d'être sollicitée mécaniquement de façon quasi identiques.
Un même support pourrait être pourvu d'une paire de manchons à structure fibreuse, chacun conformes à ceux de l'invention, ces manchons étant portés par un même support mais décalés axialement, de manière à isoler les uns des autres trois portions du puits ou de la canalisation, notamment pour tester ou traiter la paroi de la portion intermédiaire, comme cela est connu en soi (voir par exemple les documents US 4 815 538 et FR 2 710 155).
Les fibres fines et longues, à haute résistance mécanique, qui constituent la structure fibreuse pourraient être des « nanofibres », sans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'étanchéité servant à obturer un puits ou une canalisation, qui comporte un manchon radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, afin de se plaquer hermétiquement contre la paroi du puits ou de la canalisation, ce manchon étant fixé à des organes d'extrémité, caractérisé par le fait que ledit manchon (2) comprend, d'une part, une paire de membranes cylindriques (20, 21) à paroi souple et élastique, emmanchées coaxialement l'une dans l'autre, l'une (20) intérieure, destinée à être soumise intérieurement à la pression du fluide de gonflage, l'autre (21) extérieure, destinée à s'appliquer contre la paroi (C) du puits ou de la canalisation pour réaliser l'étanchéité, et, d'autre part, au moins une structure annulaire fibreuse très dense (5 ; 7-8) formée d'une multitude de fibres fines et longues à haute résistance mécanique, qui relient lesdits organes d'extrémité (3, 4) et qui sont enroulées hélicoïdalement autour de la membrane intérieure (20), selon un axe qui est confondu avec l'axe longitudinal de symétrie (X-X') du manchon (2), et que cette structure fibreuse (5 ; 7-8), d'une part présente une certaine épaisseur et d'autre part est intercalée entre les dites membranes(20, 21), et qu'en outre l'angle d'enroulement des fibres par rapport à la direction dudit axe longitudinal de symétrie (X-X') a une valeur notablement supérieure dans les portions d'extrémité du manchon que dans la portion centrale de celui-ci, la transition entre les deux portions se faisant progressivement, avec des angles ayant une valeur intermédiaire, cet enroulement étant tel que la densité des fibres diminue de chaque extrémité vers la portion centrale, l'angle d'inclinaison des fibres avant expansion étant calculé tranche par tranche de telle façon que dans chacune des tranches annulaire de la structures le taux de raccourcissement après expansion radiale du manchon soit sensiblement constant sur toute l'épaisseur de ladite tranche.
2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la densité de la dite structure annulaire fibreuse est telle qu'après expansion radiale du manchon, les dites fibres sont jointives, ou pratiquement jointives, de sorte que la structure assure à la fois le renforcement mécanique, pour supporter les efforts de pression élevés, et de filtre anti-extrusion pour éviter toute extrusion de la membrane intérieure (20) entre ces fibres sous l'effet de pression.
3. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les zones de transition (2'a, 2'c) ont des longueurs différentes.
4. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdites fibres sont réalisées dans un matériau ayant une haute résistance mécanique à la traction, tel que, notamment, des fibres d'aramide, de carbone, de verre ou d'acier. 5. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdites fibres ont une section circulaire dont le diamètre est inférieur à 0,
5 mm.
6. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le diamètre des fibres est compris entre 5 et 100 micromètres environ, et est de préférence de l'ordre de 10 à 20 micromètres.
7. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la densité des fibres au sein de ladite structure fibreuse (5), considérée dans un plan de coupe transversal au manchon, est comprise entre 100 et 45 000/ mm2 , et est de préférence de l'ordre de 10 000 / mm2.
8. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les fibres constituant la structure fibreuse sont regroupées en une pluralité de fils, de mèches ou de câbles (50, 50', 50B, 50'B) indépendantes les unes des autres.
9. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite structure fibreuse (5) est formée de plusieurs nappes concentriques (5.1, 5.2, 5.4, 5.5) contiguës, et que les orientations angulaires des fibres constitutives de deux nappes contiguës sont contraires.
10. Dispositif d'étanchéité selon les revendications 8 et 9 prises en combinaison, caractérisé par le fait que certaines au moins desdites mèches (50, 50') sont communes à plusieurs nappes.
11. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il comporte, emprisonné, entre lesdites membranes intérieure (20) et extérieure (21), un agent très déformable dans lequel sont enrobées les fibres constitutives de ladite structure (5).
12. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit agent est un caoutchouc, une huile, une graisse, ou de la résine de silicone.
13. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que les fibres constitutives de ladite structure fibreuse (5) sont enrobées dans un matériau solide mais présentant des caractéristiques de souplesse et d'élasticité élevées, qui n'affecte pas l'aptitude à la libre déform ation de cette structure (5) relativement aux membranes (20, 21) qui l'entourent.
14. Dispositif d'étanchéité selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'angle d'enroulement des fibres par rapport à la direction dudit axe longitudinal de symétrie (X-X') a une valeur de l'ordre de 45° à 60° dans les portions d'extrémité du manchon, et une valeur de l'ordre de 15° à 30° dans la portion centrale de celui-ci.
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