WO2008084162A2 - Manchon gonflable à déformation contrôlée, procédé de fabrication, et application à la pressiométrie - Google Patents

Manchon gonflable à déformation contrôlée, procédé de fabrication, et application à la pressiométrie Download PDF

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    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining
    • Y10T29/49863—Assembling or joining with prestressing of part

Definitions

  • the invention relates, in general, the logging techniques and exploitation of underground drilling.
  • the invention relates, according to a first aspect, an inflatable sleeve also called “packer” by the skilled person, this sleeve comprising a mandrel extending along a longitudinal axis and a sealed inflatable envelope connected to the mandrel and selectively adopting a rest configuration or a maximum inflation configuration.
  • Inflatable sleeves are well known to those skilled in the art and are traditionally used in logging or underground mining to close a borehole, as well as in pressiometry to evaluate in situ the mechanical parameters of the soil.
  • an inflatable sleeve may, depending on its application, be inflated by a gas under pressure or by a liquid under pressure, the implementation of such a sleeve is always made difficult by the risk of uncontrolled deformation and / or of a rupture of its envelope.
  • the purpose of the invention is precisely to propose an inflatable sleeve that is practically free of such risks.
  • the inflatable sleeve of the invention is essentially characterized in that it further comprises a compression sheath covering the inflatable envelope and including a flexible structure at least partially formed of resistant fibers substantially inextensible in stretched configuration, in that said fibers comprise at least peripheral fibers each of which extends around the longitudinal axis forming with this axis an angle of at least 70 degrees, and preferably at least equal to at 80 degrees, and that these peripheral fibers adopt a pleated configuration for the envelope's rest configuration and a stretched configuration for the maximum inflation configuration of the envelope.
  • the property defined by the term "substantially inextensible strength" used in the present description is considered to be applicable to fibers, for example textile fibers, which have a stretched, that is, non-wrinkled, configuration. a tensile strength at least fifty times greater than that of a rubber thread of the same section, and / or which respond to traction by breaking after a moderate relative elongation, for example less than 20%.
  • the flexible structure comprises longitudinal fibers, crossed with the peripheral fibers and extending in a direction at least substantially parallel to the longitudinal axis, the substantially inextensible fibers being for example made of textile fibers.
  • the flexible structure comprises peripheral elastic threads, for example interlaced with the longitudinal fibers, and each of which extends around the longitudinal axis and biases the peripheral fibers in a stretched configuration towards their pleated configuration.
  • the flexible structure belongs to a textile matrix elastic strap wound helically around the envelope.
  • the textile matrix of the webbing may then typically comprise warp yarns constituting said peripheral fibers, weft yarns interlaced with the warp yarns and constituting the longitudinal fibers, and elastic yarns at least substantially parallel to the warp yarns.
  • the inflatable sleeve of the invention is ideally applicable to the production of a pressuremeter probe.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an inflatable sleeve comprising a mandrel extending along a longitudinal axis and a tight inflatable envelope selectively adopting a rest configuration or a maximum inflation configuration, this method comprising at least steps of forming the mandrel, producing the envelope and mounting the envelope on the mandrel, and being characterized in that it further comprises the steps of: making a scale model one of the inflatable sleeve, having the shape desired for the inflatable sleeve in fully inflated configuration and having a longitudinal axis;
  • this elastic element with a textile reinforcement at a constant speed of advancement, while it is unwound from the model, either to manufacture, by knitting or weaving if this element is wired, a compression sheath intended to cover the envelope, or, if this elastic element is matrix, to wind it directly on the inflatable sleeve disposed in the rest configuration near the model and rotated about its longitudinal axis at the same angular velocity as the model.
  • the term "state of full elongation” corresponds to the state of elongation of the flexible structure from which the peripheral fibers of this flexible structure are completely unfolded and begin to oppose their resistance to any further elongation.
  • the respective longitudinal axes of the sleeve and the model can be arranged parallel to one another at a distance from the more equal to the circumference of the sleeve, the sleeve and the model being rotated in the opposite direction or in the same direction, depending on whether the portion of strap extending between the model and the sleeve passes through the plane passing through said longitudinal axes or not; .
  • FIG. 1 is a diagrammatic view of two inflatable sleeve halves illustrated in a rest configuration, the upper half being that of a known sleeve and the lower half being that of a sleeve.
  • FIG. 2 is a diagrammatic view of two inflatable sleeve halves illustrated in an intermediate inflation configuration and inside a bore F, the upper half being that of a known sleeve and the lower half being that of a sleeve.
  • FIG. 3 is a diagrammatic view of two inflatable sleeve halves girded with a split tube and shown in intermediate inflation configuration, the upper half being that of a known sleeve and the lower half being that of a sleeve conforming to FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged schematic view of a flexible structure that can be used in an inflatable sleeve according to the invention
  • FIG. 5 is a diagram showing, respectively in dotted lines and solid lines, the evolution of the internal volume Vi, expressed in cubic centimeters and on the ordinate, of a known inflatable sleeve and a sleeve according to the invention, in function of the internal pressure Pi of these sleeves, expressed in bars and abscissa;
  • FIG. 5 is a diagram showing, respectively in dotted lines and solid lines, the evolution of the internal volume Vi, expressed in cubic centimeters and on the ordinate, of a known inflatable sleeve and a sleeve according to the invention, in function of the internal pressure Pi of these sleeves, expressed in bars and abscissa;
  • FIG. 5 is a diagram showing, respectively in dotted lines and solid lines, the evolution of the internal volume Vi, expressed in cubic centimeters and on the ordinate, of a known inflatable sleeve and
  • FIG. 6 is a diagram representing the evolution of the tensile force F, expressed in kilograms and in ordinate, which must be applied to a elastic strap used for producing a sleeve according to the invention, to obtain an elongation X of this strap, expressed as a percentage and as abscissa; and
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a phase of a process that can be implemented for the production of an inflatable sleeve according to the invention.
  • the invention particularly relates to an inflatable sleeve, also called "packer" by the skilled person, the sleeve of the invention being particularly suitable for producing a pressuremeter probe but being more generally usable in all known applications of packers.
  • a sleeve traditionally comprises a mandrel 1 extending along a longitudinal axis X, and an annular inflatable and sealed envelope 2, connected to the mandrel 1.
  • the inflatable envelope 2 which is typically formed of a waterproof rubber or elastomeric mixture membrane, is fixed to the mandrel 1 by means of rings 10 and can, at will, adopt a rest configuration (FIG. 1) or a configuration maximum inflation (Figure 2).
  • the casing 2 of a conventional inflatable sleeve may, depending on the nature of the subsoil surrounding the borehole F in which the sleeve is introduced, or in the case of a large annular space between the sleeve at rest and the inner wall of a drill pipe in which it is inflated, to undergo uncontrolled deformations going as far as to produce a rupture.
  • the sleeve of the invention comprises a compression sheath 3 covering the inflatable envelope 2.
  • This sheath 3 includes a flexible structure 4 (FIG.
  • substantially inextensible fibers 41 and 42 which is at least partially formed of substantially inextensible fibers 41 and 42, for example made of resistant textile fibers, such as aramid fibers or Kevlar ® fibers.
  • the structure 4 comprises peripheral fibers 41, each of which surrounds the envelope 2 and thus surrounds the longitudinal axis X of the sleeve extending in a direction ideally perpendicular to this axis X.
  • peripheral fibers 41 form with the axis X an angle at least equal to 70 degrees, and preferably at least equal to 80 degrees.
  • the structure 4 is preferably woven, so that it comprises, in addition to the peripheral fibers 41, longitudinal fibers 42 which are crossed with the peripheral fibers 41 and which extend in one direction. at least substantially parallel to the longitudinal axis X.
  • the flexible structure 4 can advantageously comprise elastic threads peripherals 43, each of these elastic son 43 extending around the longitudinal axis X, elongate at the same time as the peripheral fibers 41, and therefore having the effect, when the peripheral fibers 41 are unfolded, to recall these fibers 41 to their pleated configuration.
  • the elastic threads 43 are preferably interlaced with the longitudinal fibers 42, as are also the peripheral fibers 41.
  • this sheath may be constituted by a strap 5 wound helically around the casing 2.
  • this strap can be constituted by an elastic strap with a textile matrix whose structure 4 is that shown in FIG.
  • the textile matrix of this strap 5 thus comprises warp threads 41 which constitute the peripheral fibers, weft threads
  • the compression sheath 3 it is also possible to cover the compression sheath with an outer sheath, for example made of rubber and / or with a split tube.
  • an outer sheath for example made of rubber and / or with a split tube.
  • the fibers of the compression sheath 3 it is important for the fibers of the compression sheath 3 to have at least locally total freedom of movement with respect to the inflatable envelope 2 and any external sheath.
  • the compression sheath 3 must not be embedded in the inflatable envelope 2 or in the outer sheath, or bonded to this envelope or to this outer sheath, otherwise the expansion of the inflatable sleeve as a function of the pressure would be more controlled.
  • Fixing, at both ends of the packer, the compression sheath possibly covered by an outer sheath and / or a split tube, can be achieved by means of rings from crimping these various envelopes around the two pre-existing rings 10 of the sleeve.
  • the volume / pressure curve of a sleeve according to the invention (solid line) is clearly distinguishable from the volume / pressure curve of a conventional sleeve (dashed).
  • a conventional sleeve the higher the internal pressure rises, and the increase in internal volume becomes high for the same increase in pressure, until the envelope 2 bursts (towards 1.75 bars in the example of Figure 5, which relates to a pressuremeter probe).
  • a sleeve according to the invention has practically the same behavior as a conventional sleeve as long as the flexible structure of the compression sheath has not reached its state of full elongation, that is to say also long as the peripheral fibers 41 are not completely unfolded.
  • the only small difference in behavior observed at the low pressures between a known sleeve and the sleeve of the invention, at least when it is provided with elastic threads 43, lies in the fact that the same internal volume can not be obtained, for the sleeve of the invention, that by applying a slightly stronger pressure due to the tensioning of these elastic son 43 present in the structure 4.
  • the volume / pressure curve of a sleeve according to the invention reverses its concavity, so that the higher the internal pressure Pi, the higher the internal volume increase Vi becomes low for the same increase in pressure.
  • the internal pressure Pi can be increased significantly without leading to the bursting of the envelope 2.
  • FIG. 6 represents the tensile force F / elongation X curve of an elastic strap 5 that can be used for producing a sleeve according to the invention.
  • the elongation resistance of the strap 5 essentially corresponds to the elongation resistance of the fibers 41, so that a moderate elongation can only be obtained by a force of increasing traction, until rupture of the webbing, which intervenes only for a tensile force all the higher as these fibers are resistant, this tensile force being, in the example shown in FIG. Figure 6, of the order of 200 kilograms for a strap 1 centimeter wide.
  • the invention allows excellent control of the maximum deformation of an inflatable sleeve, and thus the elimination of hernias or inadvertent deformations that occur frequently on the known inflatable sleeves .
  • the invention makes it possible to impose on the sleeve, in the vicinity of each of its two crimping rings 10, a spindle profile with, at the connection on each ring, a section which remains in its initial cylindrical shape and does not undergo any expansion whatever the degree of swelling of the sleeve (effect obtained by positioning, on this part, the compression sheath in a state of full elongation).
  • the invention thus makes it possible to eliminate the problems of excessive stresses and deformations which, when inflated, the conventional sleeves experience when they are connected to the crimping rings, because of the strong curvature which they take at this point. level and illustrated in the upper part of Figure 2.
  • the spindle profile that the invention allows to obtain leads to significantly reduce the axial elongation experienced by the envelope of a conventional sleeve when inflated.
  • the developed length of the envelope is 100.6 cm, an elongation 10 times more weak than that of the classic sleeve.
  • the compression sheath 3 enables the envelope 2 to faithfully follow the external shape of this tube 7, and thus to avoid the formation terminal hernias at the rings 10, and the appearance of detached areas 8.
  • FIG. 7 illustrates a final phase of a process that can be implemented, in a nonlimiting manner, to produce an inflatable sleeve 6 according to the invention, from a previously manufactured sleeve. in a traditional way and comprising a mandrel 1 and a sealed inflatable envelope 2.
  • the operation illustrated is that of winding a strap 5 around the inflatable envelope 2 of the sleeve 6 so as to control the deformations of this sleeve under pressure.
  • This final phase involves the prior implementation of a model 6 'scale one of the inflatable sleeve, this model having a longitudinal axis X' and having the shape that will adopt the inflatable sleeve 6 in fully inflated configuration.
  • the elastic strap 5 to textile matrix is first wound helically, in its fully elongated state, on the model 6 '.
  • the relative difference in observable length between the length of the warp yarns 41 of the fully elongated webbing and the length of the warp yarns in the pleated state can typically be of the order of tens to hundreds of percent.
  • the inflatable sleeve 6 is then arranged, in the rest configuration, close to the model 6 '.
  • FIG. 7 illustrates the case where the direction of rotation of the model 6 'and the sleeve 6 are the same and where the strap portion 5 connecting the model 6' to the sleeve 6 does not cross the plane passing through the X and X 'axes, in which case the winding directions of the strap 5 on the model 6' and the sleeve 6 are the same.
  • the state of elongation of the strap 5 on the sleeve 6, for each of the turns of this strap is then such that, during the future swelling of the casing 2 of this sleeve, the diameter maximum that can reach this envelope at this turn will be equal to the diameter of the model 6 'at the same level, so that the geometry of the envelope 2 of the sleeve 6 to its maximum swelling will be identical to that of the model 6'.
  • Such a corded elastic element with textile reinforcement is for example formed by an elastic sheath having a textile core with one or more resistant and substantially inextensible fibers, the assembly being able to be worked as a thread capable of adopting a rest configuration in wherein the fibrous textile core is in pleated configuration, and a full elongation configuration in which the fibrous textile core is stretched and imposes on the wire elastic element its own inextensible behavior.
  • This wired elastic element is helically wound on the model 6 'in its fully elongated state, like the strap 5, but with the same pitch as that which will be used in the finished compression sheath 3, as it will have to result from knitting or weaving.
  • this textile-reinforced wire elastic element is unwound from the model 6 'by rotation thereof at constant angular velocity around its longitudinal axis X', while it is being used, at a constant speed of travel and simultaneously with its flow the model 6 ', to manufacture the compression sheath by knitting or weaving.

Abstract

21 ABREGE. TITRE:MANCHON GONFLABLE A DEFORMATION CONTROLEE, PROCEDE DEFABRICATION, ET APPLICATION A LA PRESSIOMETRIE.5 AU NOM DE: COUR FRANCIS L'invention concerne unmanchon gonflable ou 'packer' comprenant un mandrin (1) s'étendant suivant un 10 axe longitudinal (X) etune enveloppe (2) gonflable étanche liée au mandrin (1) et adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configurationde gonflage maximum. Le manchon de l'invention comprend en outre une 15 gaine de contention (3) recouvrant l'enveloppe gonflable (2) et au moins partiellement formée de fibres sensiblement inextensiblesincluantdes fibres périphériquesdont chacune s'étend autour de l'axe longitudinal (X), ces fibres périphériquesadoptant une 20 configuration plissée pour la configuration de repos de l'enveloppe (2) et une configuration étirée pour la configuration de gonflage maximum de l'enveloppe (2). 25 Figure 2. 30

Description

MANCHON GONFLABLE A DEFORMATION CONTROLEE, PROCEDE DE FABRICATION, ET APPLICATION A LA PRESSIOMETRIE .
L'invention concerne, de façon générale, les techniques de diagraphie et d'exploitation de forages du sous-sol .
Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un manchon gonflable encore appelé "packer" par l'homme du métier, ce manchon comprenant un mandrin s 'étendant suivant un axe longitudinal et une enveloppe gonflable étanche liée au mandrin et adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum.
Les manchons gonflables sont bien connus de l'homme du métier et sont traditionnellement utilisés en diagraphie ou en exploitation du sous-sol pour obturer un forage, ainsi qu'en pressiométrie pour évaluer in situ les paramètres mécaniques des sols.
Bien qu'un manchon gonflable puisse, suivant son application, être gonflé par un gaz sous pression ou par un liquide sous pression, la mise en œuvre d'un tel manchon est toujours rendue délicate par le risque d'une déformation incontrôlée et/ou d'une rupture de son enveloppe . L'invention a précisément pour but de proposer un manchon gonflable pratiquement exempt de tels risques.
A cette fin, le manchon gonflable de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre une gaine de contention recouvrant l'enveloppe gonflable et incluant une structure souple au moins partiellement formée de fibres résistantes sensiblement inextensibles en configuration étirée, en ce que ces fibres comprennent au moins des fibres périphériques dont chacune s'étend autour de l'axe longitudinal en formant avec cet axe un angle au moins égal à 70 degrés, et de préférence au moins égal à 80 degrés, et en ce que ces fibres périphériques adoptent une configuration plissée pour la configuration de repos de l'enveloppe et une configuration étirée pour la configuration de gonflage maximum de l'enveloppe.
Par convention, la propriété définie par l'expression "résistante sensiblement inextensible" utilisée dans la présente description est considérée comme applicable à des fibres, par exemple des fibres textiles, qui présentent en configuration étirée, c'est- à-dire non plissée, une résistance à la traction au moins cinquante fois supérieure à celle d'un fil de caoutchouc de même section, et/ou qui répondent à une traction par une rupture après un allongement relatif modéré, par exemple inférieur à 20 %.
De préférence, la structure souple comprend des fibres longitudinales, croisées avec les fibres périphériques et s 'étendant dans une direction au moins sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, les fibres sensiblement inextensibles étant par exemple constituées de fibres textiles.
Il peut également être judicieux de prévoir que la structure souple comprenne des fils élastiques périphériques, par exemple entrelacés avec les fibres longitudinales, et dont chacun s'étend autour de l'axe longitudinal et sollicite les fibres périphériques en configuration étirée vers leur configuration plissée. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la structure souple appartient à une sangle élastique à matrice textile enroulée en hélice autour de l'enveloppe.
La matrice textile de la sangle peut alors typiquement comprendre des fils de chaîne constituant lesdites fibres périphériques, des fils de trame entrelacés avec les fils de chaîne et constituant les fibres longitudinales, et des fils élastiques au moins sensiblement parallèles aux fils de chaîne. Le manchon gonflable de 1 ' invention est idéalement applicable à la réalisation d'une sonde de pressiomètre .
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un manchon gonflable comprenant un mandrin s 'étendant suivant un axe longitudinal et une enveloppe gonflable étanche adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, ce procédé comprenant au moins des étapes de réalisation du mandrin, de réalisation de l'enveloppe et de montage de l'enveloppe sur le mandrin, et étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : fabriquer une maquette à échelle un du manchon gonflable, ayant la forme souhaitée pour le manchon gonflable en configuration totalement gonflée et présentant un axe longitudinal;
- enrouler en hélice, sur la maquette et dans son état de pleine élongation, un élément élastique filaire ou matriciel à renfort textile, tel qu'une sangle élastique à matrice textile; - dérouler cet élément élastique à renfort textile de la maquette en entraînant cette maquette en rotation à vitesse angulaire constante autour de son axe longitudinal; et
- utiliser cet élément élastique à renfort textile à vitesse d'avancement constante, pendant qu'il est déroulé de la maquette, soit pour fabriquer, par tricotage ou tissage si cet élément est filaire, une gaine de contention destinée à recouvrir l'enveloppe, soit, si cet élément élastique est matriciel, pour l'enrouler directement sur le manchon gonflable disposé en configuration de repos à proximité de la maquette et entraîné en rotation autour de son axe longitudinal à la même vitesse angulaire que la maquette.
Par convention, l'expression "état de pleine élongation" correspond à l'état d'élongation de la structure souple à partir duquel les fibres périphériques de cette structure souple se trouvent totalement déplissées et commencent à opposer leur résistance à tout allongement supplémentaire.
Dans le cas où l'élément élastique à renfort textile est une sangle élastique à matrice textile enroulée directement sur le manchon gonflable, les axes longitudinaux respectifs du manchon et de la maquette peuvent être disposés parallèlement l'un à l'autre à une distance au plus égale à la circonférence du manchon, le manchon et la maquette étant entraînés en rotation en sens inverse ou dans le même sens selon que la portion de sangle s 'étendant entre la maquette et le manchon traverse ou non le plan passant par lesdits axes longitudinaux . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable illustrées en configuration de repos, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la moitié inférieure étant celle d'un manchon conforme à l'invention; la figure 2 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable illustrées en configuration de gonflage intermédiaire et à l'intérieur d'un forage F, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la moitié inférieure étant celle d'un manchon conforme à
1 ' invention; la figure 3 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable ceint d'un tube fendu et représenté en configuration de gonflage intermédiaire, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la moitié inférieure étant celle d'un manchon conforme à
1 ' invention; - la figure 4 est une vue schématique grossie d'une structure souple utilisable dans un manchon gonflable conforme à l'invention; la figure 5 est un diagramme représentant, respectivement en pointillés et en trait plein, l'évolution du volume interne Vi, exprimé en centimètres cubes et en ordonnée, d'un manchon gonflable connu et d'un manchon conforme à l'invention, en fonction de la pression interne Pi de ces manchons, exprimée en bars et en abscisse; - la figure 6 est un diagramme représentant l'évolution de la force F de traction, exprimée en kilogrammes et en ordonnée, qui doit être appliquée à une sangle élastique utilisable pour la réalisation d'un manchon conforme à l'invention, pour obtenir un allongement X de cette sangle, exprimé en pourcentage et en abscisse; et - la figure 7 est un schéma illustrant une phase d'un procédé susceptible d'être mis en œuvre pour la réalisation d'un manchon gonflable conforme à 1 ' invention .
Comme annoncé précédemment, l'invention concerne notamment un manchon gonflable, encore appelé "packer" par l'homme du métier, le manchon de l'invention étant particulièrement adapté à la réalisation d'une sonde de pressiomètre mais étant plus généralement utilisable dans toutes les applications connues des packers . Un tel manchon comprend traditionnellement un mandrin 1 s 'étendant suivant un axe longitudinal X, et une enveloppe annulaire gonflable et étanche 2, liée au mandrin 1.
L'enveloppe gonflable 2, qui est typiquement formée d'une membrane étanche en caoutchouc ou en mélange élastomère, est fixée au mandrin 1 au moyen de bagues 10 et peut, à volonté, adopter une configuration de repos (figure 1) ou une configuration de gonflage maximum (figure 2) . Cependant, comme le montre la partie supérieure de la figure 2, l'enveloppe 2 d'un manchon gonflable classique peut, en fonction de la nature du sous-sol entourant le forage F dans lequel ce manchon est introduit, ou dans le cas d'un espace annulaire important entre le manchon au repos et la paroi interne d'un tube de forage dans lequel il est gonflé, subir des déformations incontrôlées allant jusqu'à produire sa rupture .
Pour éviter ce phénomène, le manchon de l'invention comprend une gaine de contention 3 recouvrant l'enveloppe gonflable 2.
Cette gaine 3 inclut une structure souple 4 (figure
4) qui est au moins partiellement formée de fibres sensiblement inextensibles 41 et 42, par exemple constituées de fibres textiles résistantes, telles que des fibres aramide ou des fibres de Kevlar ®.
En particulier, la structure 4 comprend des fibres périphériques 41 dont chacune entoure l'enveloppe 2 et entoure donc l'axe longitudinal X du manchon en s 'étendant suivant une direction idéalement perpendiculaire à cet axe X.
En pratique, ces fibres périphériques 41 forment avec l'axe X un angle au moins égal à 70 degrés, et de préférence au moins égal à 80 degrés.
Lorsque l'enveloppe 2 est au repos (figure 1), les fibres périphériques 41 forment des plis, alors que ces fibres 41 sont totalement étirées et tendues lorsque l'enveloppe 2 est gonflée au maximum (figure 2), en raison de l'augmentation de diamètre de cette enveloppe 2. La structure 4 est de préférence tissée, de sorte qu'elle comprend, en plus des fibres périphériques 41, des fibres longitudinales 42 qui sont croisées avec les fibres périphériques 41 et qui s'étendent dans une direction au moins sensiblement parallèle à l'axe longitudinal X.
Comme le montre la figure 4, la structure souple 4 peut avantageusement comprendre des fils élastiques périphériques 43, chacun de ces fils élastiques 43 s 'étendant autour de l'axe longitudinal X, s 'allongeant en même temps que les fibres périphériques 41, et ayant donc pour effet, lorsque les fibres périphériques 41 sont déplissées, de rappeler ces fibres 41 vers leur configuration plissée.
Pour optimiser leur tenue dans la structure 4, les fils élastiques 43 sont de préférence entrelacés avec les fibres longitudinales 42, comme le sont également les fibres périphériques 41.
Par ailleurs, plutôt que de donner à la gaine de contention 3 une forme de chaussette, il peut être judicieux que cette gaine soit constituée par une sangle 5 enroulée en hélice autour de l'enveloppe 2. En particulier, cette sangle peut être constituée par une sangle élastique à matrice textile dont la structure 4 est celle qu'illustre la figure 4.
Plus précisément, la matrice textile de cette sangle 5 comprend donc des fils de chaîne 41 qui constituent les fibres périphériques, des fils de trame
42 qui sont entrelacés avec les fils de chaîne 41 et qui constituent les fibres longitudinales 42, et des fils élastiques 43 qui sont parallèles aux fils de chaîne 41.
Il est possible de superposer plusieurs gaines de contention, ou plusieurs niveaux de sangle. Dans le cas de plusieurs niveaux de sangle, les spires des différents niveaux peuvent être enroulées à contre sens (spires à droite sur spires à gauche) .
Il est également possible de recouvrir la gaine de contention par une gaine externe, par exemple en caoutchouc et/ou par un tube fendu. En revanche, il est important que les fibres de la gaine de contention 3 présentent au moins localement une totale liberté de mouvement par rapport à l'enveloppe gonflable 2 et à toute éventuelle gaine externe. En particulier, la gaine de contention 3 ne doit pas être noyée dans l'enveloppe gonflable 2 ou dans la gaine externe, ni collée à cette enveloppe ou à cette gaine externe, faute de quoi la dilatation du manchon gonflable en fonction de la pression ne serait plus maîtrisée.
La fixation, aux deux extrémités du packer, de la gaine de contention éventuellement recouverte par une gaine externe et/ou un tube fendu, peut être réalisée au moyen de bagues venant sertir ces différentes enveloppes autour des deux bagues préexistantes 10 du manchon.
Comme le montre la figure 5, la courbe volume / pression d'un manchon conforme à l'invention (en trait plein) se distingue nettement de la courbe volume / pression d'un manchon classique (en pointillés). Dans un manchon classique, plus la pression interne s'élève, et plus l'accroissement de volume interne devient élevé pour un même accroissement de pression, jusqu'à ce que l'enveloppe 2 éclate (vers 1,75 bars dans l'exemple de la figure 5, qui est relatif à une sonde pressiométrique) .
En fait, un manchon conforme à l'invention présente pratiquement le même comportement qu'un manchon classique aussi longtemps que la structure souple de la gaine de contention n'a pas atteint son état de pleine élongation, c'est-à-dire aussi longtemps que les fibres périphériques 41 ne sont pas complètement déplissées. La seule petite différence de comportement observable aux basses pressions entre un manchon connu et le manchon de l'invention, au moins lorsqu'il est doté de fils élastiques 43, réside dans le fait qu'un même volume interne ne peut être obtenu, pour le manchon de l'invention, que moyennant l'application d'une pression légèrement plus forte en raison de la mise en tension de ces fils élastiques 43 présents dans la structure 4.
En revanche, dès que les fibres textiles 41 sont mises en tension (à partir d'environ 1,5 bars en l'occurrence), la courbe volume / pression d'un manchon conforme à l'invention inverse sa concavité, de sorte que plus la pression interne Pi s'élève, et plus l'accroissement de volume interne Vi devient faible pour un même accroissement de pression.
De plus, la pression interne Pi peut être augmentée de façon importante sans conduire à l'éclatement de l'enveloppe 2.
Les raisons de ce comportement peuvent être comprises en observant la figure 6, qui représente la courbe force de traction F / allongement X d'une sangle élastique 5 utilisable pour la réalisation d'un manchon conforme à l'invention.
Comme les fils élastiques 43 de la structure 4 de cette sangle 5 ne servent qu'à rappeler les fibres 41 vers leur configuration plissée et n'ont donc pas besoin de présenter une forte raideur, un allongement de par exemple 70 pourcent peut être obtenu avec une force de traction modérée, en l'occurrence de l'ordre de 4,5 kilogrammes. Néanmoins, il est tout à fait envisageable, pour des applications particulières, d'augmenter la raideur du manchon en utilisant des fils élastiques plus résistants et/ou en augmentant leur nombre.
En revanche, dès que les fibres 41 sont en étirement, la résistance à l'allongement de la sangle 5 correspond essentiellement à la résistance à l'allongement des fibres 41, de sorte qu'un allongement modéré ne peut être obtenu que par une force de traction de plus en plus élevée, jusqu'à rupture de la sangle, qui n'intervient que pour une force de traction d'autant plus élevée que ces fibres sont résistantes, cette force de traction étant, dans l'exemple illustré à la figure 6, de l'ordre de 200 kilogrammes pour une sangle de 1 centimètre de largeur.
En équipant le manchon classique, pris comme référence sur la figure 5, d'une gaine de contention réalisée avec une telle sangle d'une résistance limite de 200Kg, la pression d'éclatement du manchon ainsi équipé passe de 1,75 à 40 bars.
Comme le montre la comparaison des deux moitiés de la figure 2, l'invention permet un excellent contrôle de la déformation maximale d'un manchon gonflable, et donc l'élimination des hernies ou des déformations intempestives qui se produisent fréquemment sur les manchons gonflables connus. Comme le montrent les figures 2 et 3, l'invention permet d' imposer au manchon, au voisinage de chacune de ses deux bagues de sertissage 10, un profil en fuseau avec, au niveau du raccordement sur chaque bague, une section qui reste dans sa forme initiale cylindrique et ne subit aucune dilatation quel que soit le degré de gonflement du manchon (effet obtenu en positionnant, sur cette partie la gaine de contention dans un état de pleine élongation) . L' invention permet ainsi de faire disparaître les problèmes de contraintes et de déformations excessives que subissent, lorsqu'ils sont gonflés, les manchons classiques au niveau de leur raccordement aux bagues de sertissage, en raison de la forte courbure qu'ils prennent à ce niveau et qu'illustre la partie supérieure de la figure 2.
Par ailleurs, le profil en fuseau que l'invention permet d'obtenir conduit à réduire considérablement l'allongement axial que subit l'enveloppe d'un manchon classique lorsqu'il est gonflé. A titre d'exemple, la longueur développée de l'enveloppe d'un manchon classique représenté sur la moitié supérieure de la figure 3, égale à 100 cm au repos, atteint 106 cm lorsque le diamètre du packer, initialement de 12 cm, atteint 18cm, soit un allongement axial de 6 cm. Pour le même gonflement du packer, avec le profil en fuseau que permet d' imposer l'invention, représenté dans la moitié inférieure de la figure 3, la longueur développée de l'enveloppe est de 100,6cm, soit un allongement 10 fois plus faible que celui du manchon classique.
En particulier, lorsque le manchon est enserré dans un tube métallique fendu 7 comme illustré à la figure 3, la gaine de contention 3 permet à l'enveloppe 2 de suivre fidèlement la forme externe de ce tube 7, et donc d'éviter la formation de hernies terminales au niveau des bagues 10, et l'apparition de zones décollées 8.
La figure 7 illustre une phase finale d'un procédé susceptible d'être mis en œuvre, de façon non limitative, pour réaliser un manchon gonflable 6 conforme à l'invention, à partir d'un manchon préalablement fabriqué de façon traditionnelle et comportant un mandrin 1 et une enveloppe gonflable étanche 2.
L'opération illustrée est celle qui consiste à enrouler une sangle 5 autour de l'enveloppe gonflable 2 du manchon 6 de manière à contrôler les déformations de ce manchon sous pression.
Cette phase finale implique la réalisation préalable d'une maquette 6' à l'échelle un du manchon gonflable, cette maquette présentant un axe longitudinal X' et ayant la forme que devra adopter le manchon gonflable 6 en configuration totalement gonflée.
La maquette 6' peut être réalisée en bois, en matière plastique, ou en tout autre matériau suffisamment rigide pour ne pas subir de déformation notable au cours des opérations décrites ci-après.
La sangle élastique 5 à matrice textile est d'abord enroulée en hélice, dans son état de pleine élongation, sur la maquette 6'.
La différence relative de longueur observable entre la longueur des fils de chaîne 41 de la sangle en état de pleine élongation et la longueur des fils de chaîne à l'état plissé peut typiquement être de l'ordre de plusieurs dizaines à quelques centaines de pourcents.
Le manchon gonflable 6 est alors disposé, en configuration de repos, à proximité de la maquette 6'.
Comme le montre la figure 7, il est judicieux de faire en sorte que les axes longitudinaux respectifs X et X' du manchon 6 et de la maquette 6' soient disposés parallèlement l'un à l'autre, à une distance relativement faible l'un de l'autre, par exemple inférieure à la circonférence du manchon 6. Une extrémité de la sangle 5 enroulée sur la maquette 6' est ensuite fixée sur l'extrémité du manchon 6 qui lui fait face.
La maquette 6' et le manchon 6 sont alors mis simultanément en rotation à la même vitesse angulaire autour de leurs axes X et X' respectifs et dans un sens de rotation qui permet de dévider la sangle 5 de la maquette 6' et de l'enrouler simultanément autour du manchon 6. La figure 7 illustre le cas où le sens de rotation de la maquette 6' et du manchon 6 sont les mêmes et où la portion de sangle 5 reliant la maquette 6' au manchon 6 ne traverse pas le plan passant par les axes X et X', auquel cas les sens d'enroulement de la sangle 5 sur la maquette 6' et du manchon 6 sont les mêmes.
Il est néanmoins possible de faire tourner la maquette 6' et le manchon 6 en sens inverse l'un de l'autre en faisant passer la portion de sangle 5 reliant la maquette 6' au manchon 6 à travers le plan passant par les axes X et X', auquel cas les sens d'enroulement de la sangle 5 sur la maquette 6' et du manchon 6 sont inverses l'un de l'autre, cette solution ayant l'avantage de permettre de raccourcir au maximum la longueur de la section intermédiaire formée par la sangle déjà déroulée de la maquette 6' et non encore enroulée sur le manchon 6.
Quelle que soit la solution adoptée, l'état d'allongement de la sangle 5 sur le manchon 6, pour chacune des spires de cette sangle, est alors tel que, lors du futur gonflement de l'enveloppe 2 de ce manchon, le diamètre maximum que pourra atteindre cette enveloppe au niveau de cette spire sera égal au diamètre de la maquette 6' à ce même niveau, si bien que la géométrie de l'enveloppe 2 du manchon 6 à son gonflement maximum sera identique à celle de la maquette 6'.
En variante de ce procédé, il est possible de fabriquer, par tricotage ou tissage, une gaine de contention 3 destinée à recouvrir l'enveloppe 2 et présentant les mêmes propriétés que le bandage réalisé par enroulement de la sangle 5.
Pour ce faire, il suffit d'utiliser, en tant qu'élément élastique à renfort textile, un élément filaire à la place de l'élément matriciel à renfort textile que constitue la sangle élastique 5.
Un tel élément élastique filaire à renfort textile est par exemple formé par une gaine élastique dotée d'un coeur textile à une ou plusieurs fibres résistantes et sensiblement inextensibles, l'ensemble pouvant être travaillé comme un fil susceptible d'adopter une configuration de repos dans laquelle le coeur textile fibreux est en configuration plissée, et une configuration de pleine élongation dans laquelle le coeur textile fibreux est étiré et impose à l'élément élastique filaire son propre comportement inextensible.
Cet élément élastique filaire est enroulé en hélice sur la maquette 6' dans son état de pleine élongation, comme la sangle 5, mais avec le même pas que celui qui sera utilisé dans la gaine de contention 3 finie, telle qu'elle devra résulter du tricotage ou du tissage.
Puis, cet élément élastique filaire à renfort textile est déroulé de la maquette 6' par rotation de celle-ci à vitesse angulaire constante autour de son axe longitudinal X', pendant qu'il utilisé, à vitesse d'avancement constante et simultanément à son déroulement la maquette 6', pour fabriquer la gaine de contention par tricotage ou tissage.

Claims

REVENDICATIONS.
1. Manchon gonflable ou "packer" comprenant un mandrin (1) s 'étendant suivant un axe longitudinal (X) et une enveloppe (2) gonflable étanche liée au mandrin (1) et adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une gaine de contention (3) recouvrant l'enveloppe gonflable (2) et incluant une structure souple (4) au moins partiellement formée de fibres (41, 42) sensiblement inextensibles, en ce que ces fibres (41, 42) comprennent au moins des fibres périphériques (41) dont chacune s'étend autour de l'axe longitudinal (X) en formant avec cet axe (X) un angle au moins égal à 70 degrés, et de préférence au moins égal à 80 degrés, et en ce que ces fibres périphériques (41) adoptent une configuration plissée pour la configuration de repos de l'enveloppe (2) et une configuration étirée pour la configuration de gonflage maximum de l'enveloppe (2) .
2. Manchon gonflable suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la structure souple comprend en outre des fibres longitudinales (42), croisées avec les fibres périphériques (41) et s ' étendant dans une direction au moins sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (X) .
3. Manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites fibres sensiblement inextensibles (41, 42) sont des fibres textiles.
4. Manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure souple (4) comprend en outre des fils élastiques périphériques (43) dont chacun s'étend autour de l'axe longitudinal (X) et sollicite les fibres périphériques (41) en configuration étirée vers leur configuration plissée.
5. Manchon gonflable suivant les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les fils élastiques (43) sont entrelacés avec les fibres longitudinales (42).
6. Manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure souple (4) appartient à une sangle élastique
(5) à matrice textile enroulée en hélice autour de l'enveloppe (2).
7. Manchon gonflable suivant l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice textile de la sangle (5) comprend des fils de chaîne (41) constituant lesdites fibres périphériques (41), des fils de trame (42) entrelacés avec les fils de chaîne (41) et constituant les fibres longitudinales (42), et des fils élastiques (43) au moins sensiblement parallèles aux fils de chaîne (41) .
8. Application d'un manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'une sonde de pressiomètre .
9. Procédé de fabrication d'un manchon gonflable
(6) comprenant un mandrin (1) s 'étendant suivant un axe longitudinal (X) et une enveloppe gonflable étanche (2) adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, ce procédé comprenant au moins des étapes de réalisation du mandrin (1), de réalisation de l'enveloppe (2) et de montage de l'enveloppe (2) sur le mandrin (1), caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à :
- fabriquer une maquette à échelle un (6') du manchon gonflable (6), ayant la forme souhaitée pour le manchon gonflable (6) en configuration totalement gonflée et présentant un axe longitudinal (X');
- enrouler en hélice, sur la maquette (6') et dans son état de pleine élongation, un élément élastique filaire ou matriciel à renfort textile, tel qu'une sangle élastique (5) à matrice textile;
- dérouler cet élément élastique à renfort textile de la maquette (6') en entraînant cette maquette en rotation à vitesse angulaire constante autour de son axe longitudinal (X) ; et
- utiliser cet élément élastique à renfort textile à vitesse d'avancement constante, pendant qu'il est déroulé de la maquette (6'), soit pour fabriquer, par tricotage ou tissage si cet élément est filaire, une gaine de contention (3) destinée à recouvrir l'enveloppe (2), soit, si cet élément élastique est matriciel, pour l'enrouler directement sur le manchon gonflable (6) disposé en configuration de repos à proximité de la maquette (6') et entraîné en rotation autour de son axe longitudinal (X') à la même vitesse angulaire que la maquette ( 6 ' ) .
10. Procédé suivant la revendication 9, dans lequel l'élément élastique à renfort textile est une sangle élastique (5) à matrice textile enroulée directement sur le manchon gonflable (6), caractérisé en ce que les axes longitudinaux respectifs (X, X') du manchon (6) et de la maquette (6') sont disposés parallèlement l'un à l'autre à une distance au plus égale à la circonférence du manchon (6), et en ce que le manchon (6) et la maquette
(6') sont entraînés en rotation en sens inverse ou dans le même sens selon que la portion de sangle (5) reliant la maquette (6') au manchon (6) traverse ou non le plan passant par lesdits axes longitudinaux (X, X')-
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