Brevet FR2073467A1 — publié le 19711001

L'invention se rapporte aux appareils de forage adaptés à être ancrés dans un puits et plus particulièrement aux appareils récupérables du type "packer" comportant un seul ensemble d'ancrage qui doit immobiliser l'appareil vers le haut et vers le bas. 5 Parmi les nombreux appareils connus du type "packers récupérables", ou bouchons, certains ne comportent qu'un seul ensemble d'ancrage constitué par un cône d'expansion et des coins d'ancrage. Par rapport aux packers plus classiques équipés de deux ensembles d'ancrage à commandes indépendantes, cette technique simplifie considérablement la réalisation des appareils et 10 élimine de nombreux problèmes de descente et de remontée. Dans un mode de réalisation particulièrement intéressant, décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.457.136 délivré le 8 avril 1969, l'ensemble d'ancrage mis en place mécaniquement, empêche tout mouvément vers le bas tandis qu'un système hydraulique, comprenant un piston relié au cône 15 d'expansion, empêche tout mouvement vers le haut en éeartant les coins d'ancrage sous l'action de la pression du fluide s'exerçant à la partie inférieure de l'appareil. Un autre mode de réalisation, décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.508.610 délivré le 28 avril 1970, est d'une façon générale similaire au premier mis à part le fait qu'une augmentation de pression 20 dans la zone du puits située sous l'appareil agit sur plusieurs pistons connectés en série au cône d'expansion de façon à obtenir une force suffisante pour maintenir écartés les coins d'ancrage dans des tubages de diamètres très différents. Dans un troisième mode de réalisation, décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.507*526 délivré le 21 avril 1970, le cône d'expan-25 sion comporte une surface transversale qui constitue une paroi supérieure d'une chambre à volume variable. Un système hydraulique, en réponse à un accroissement de pression dans la zone située sous le packer, augmente le volume de cette chambre, réduisant ainsi la pression qui s1exerce vers, le haut sur la surface transversale du cône d'expansion de façon à maintenir les coins 30 d'ancrage en appui contre le tubage. Tous ces modes de réalisation permettent d'immobiliser efficacement l'appareil vers le bas ou vers le haut dans le cas de variations de pression se produisant par exemple pendant des opérations de traitement ou de stimulation du puits, ou encore pendant des essais de production. Toutefois, lorsqu' 35 une colonne de tiges reste reliée au packer, ce qui est généralement le cas pour les opérations de production, la longueur de cette colonne peut varier par suite de changements de température ou de tension. Un système purement 70 44659 2 2073467 hydraulique n'est alors pas sensible aux forces mécaniques qui ont tendance à déplacer le packer. De plus, les joints d'étanchéité nécessairement utilisés dans ces systèmes hydrauliques peuvent s'user ou fuir lors d'un usage prolongé dans un puits. 5 L'objet de l'invention se rapporte à un appareil de forage compor tant un seul système d'ancrage dont l'immobilisation est assurée,même dans le cas de forces mécaniques ascendantes appliquées sur le corps de l'appareil. Selon l'invention, un appareil de forage du genre comprenant un corps et des coins d'ancrage, adaptés à s'écarter du corps pour venir en 10 contact contre la paroi d'un puits sous l'action d'un mécanisme d'expansion déplaçable vers le bas par rapport auxdits coins d'ancrage, comprend de plus un dispositif de transmission d'effort situé entre le corps et le cône d'expansion. Ce dispositif de transmission est adapté à transformer les forces ascendantes appliquées au corps en des forces descendantes appliquées sur le 15 mécanisme d'expansion de façon à maintenir les coins d'ancrage en contact avec la paroi du puits et à empêcher tout mouvement vers le haut de l'appareil. Les forces ascendantes appliquées au corps pouvant provenir soit de la pression des fluides du puits, soit de la colonne de tiges, l'invention trouve de larges applications à la fois dans le cas d'opérations sous pression et d'opérations 20 de production. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1A et 1B sont des vues de côté en coupe partielle 25 d'un appareil selon l'invention représenté en position de descente, la figure 1A étant la partie supérieure et la figure 1B la partie inférieure de l'appareil, - les figures 2A et 2B sont des vues de l'appareil des figures 1A et 1B représenté ën position d'ancrage, 30 - la figure 3 est une coupe transversale selon la ligne 3-3 de la figure 2B, - la figure 4 est une vue agrandie d'une partie de la figure 2B, et - la figure 5 est une coupe transversale selon la ligne 5-5 de la figure 2B. 35 Les figures 1A et 1B représentent un packer 10 selon l'invention. Le terme "packer" est ici utilisé dans un sens large pour désigner plusieurs types d'appareils de forage comme les bouchons obturateurs de puits et les bouchons annulaires ou packers proprement dits, placés autour d'une colonne de tiges. Le packer 10 comprend un eorps creux allongé 11 se prolongeant sur 70 44659 3 2073467 toute la longueur de l'appareil et dont l'extrémité supérieure est constituée par un raccord femelle taraudé 12 susceptible d'être connecté à une colonne de tiges suspendue en surface. Le corps 11 comprend également à son extrémité inférieure un raccord mâle fileté 14 qui peut être connecté à d'autres tiges 5 ou à un autre appareil. Le corps 11 comporte un alésage longitudinal 15 dont le diamètre est de préférence au moins égal au diamètre intérieur de la colonne de tiges. L'appareil 10 comprend un dispositif d'étanchéité susceptible de venir en appui contre la paroi du sondage. Un manchon de compression 17 est 10 monté télêscopiquement sur le corps 11 de façon à laisser entre sa surface interne et la surface extérieure du corps un passage annulaire 18 de dérivation. Une garniture d'étanchéité 19 constituée par exemple par plusieurs anneaux en élastomère 20, 21 et 22, est disposée sur le manchon de compression 17. L'anneau inférieur 22 de la garniture vient en appui sur une butée annu-15 laire fixe 23 vissée sur lé manchon de compression. L'anneau d'étanchéité supérieur 20 vient en appui sur une butée mobile 24 susceptible d'être déplaçée vers la butée fixe 23 de façon à comprimer les anneaux d'étanchéité jusqu'à ce qu'ils viennent en contact avec la paroi du puits. La butée mobile 24 constitue la partie inférieure d'un coulisseau 20 25 qui entoure le corps 11 et se termine à sa partie supérieure par une pièce d'extrémité 26 plus épaisse formant un épaulement 27 tourné vers le bas. Une gorge annulaire 28 découpée à l'intérieur du coulisseau 25 est limitée à sa partie supérieure par l'épaulement 27 et à sa partie inférieure par un autre épaulement 29 tourné vers le haut. Dans la gorge 28 vient se loger une colle-25 rette 30* réalisée sur le corps 11, les dimensions respectives de la collerette 30 et de la gorge 28 étant choisies de façon à permettre un certain mouvement longitudinal de l'une par rapport à l'autre. A la partie supérieure du manchon de compression 17 est vissé un corps de vanne 32 qui sert également d'arrêt supérieur pourla butée mobile 24. 30 Ce corps de vanne 32 comporte une gorge annulaire interne dans laquelle est placé un joint d'étanchéité 33 qui vient en appui sur la surface périphérique d'un obturateur cylindrique 34 fixé au corps 11 lorsque ce corps se déplace vers le bas par rapport au manchon de compression 17 fermant ainsi le passage de dérivation 18. Plusieurs vis 36 fixées à la partie supérieure du corps de 35 vanne 32 viennent se placer dans des fentes longitudinales 37 du coulisseau 25 de façon à empêcher toute rotation entre le manchon de compression 17 et le coulisseau. 70 1*1*659 4 2073467 L'appareil comprend également des coins d'ancrage 43 adaptés à s'écarter du corps sous l'action d'un mécanisme d'expansion. Pour ce faire, un cône d'expansion 39* monté coulissant sur le corps 11 peut'se déplacer à la fois par rapport au corps et par rapport au manchon de compression 17. Le 5 cône d'expansion 39 est relié au manchon de compression 17 par une connexion permettant une certaine liberté de mouvement, cette connexion étant formée par des fentes longitudinales 40 disposées à la partie supérieure du cône d'expansion, lesquelles reçoivent des goupilles transversales 41 fixées à la partie inférieure du manchon de compression. Les fentes 40 font communiquer 10 le passage de dérivation 18 et la zone du puits située sous la garniture d'étanchéité 19, les fentes 37 du coulisseau 25 faisant par ailleurs communiquer ce passage avec la zone du puits située au-dessus de la garniture. Une pluralité de coins d'ancrage 43 susceptibles d'être écartés latéralement sont montés autour du corps 11 en contact sur le cône d'expansion 15 39» Chaque coin d'ancrage 43, relié au cône d'expansion 39 par une glissière 45 en forme de queue d'aronde, comporte à sa périphérie des dents 45 adaptées à venir mordre dans la paroi du tubage du puits. Un tube 45, vissé au cône d'expansion 39> se prolonge vers le bas le long du corps 11 à l'intérieur d'une cage cylindrique 48 montée coulissante sur le corps en dessous des coins 20 d'ancrage 43. La cage cylindrique 48 est formée par une gaine supérieure 49 et une gaine inférieure 50. Les coins d'ancrage 43 sont reliés à la gaine supérieure 49 par des biellettes conventionnelles 51 traversées par des axes 52 et 53. Plusieurs sabots de frottement 55* disposés dans des logements 56 de 25 la gaine supérieure 49, sont repoussés vers l'extérieur par des ressorts hélicoïdaux 57- Les sabots 55 viennent en appui sur la paroi du puits de façon à résister au déplacement de la cage 48 dans le sondage. La gaine inférieure 50 comporte un logement annulaire interne 58 qui reçoit un dispositif d'enclique-tage 59 décrit plus en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 30 . 3.470.951 accordé le 7 octobre 1969. Comme représenté sur la figure 3 le dispositif d'encliquetage 59 est constitué par plusieurs segments 60 maintenus par des bracelets élastiques 61. Une goupille 62 fixée à la gaine inférieure 50 vient se placer dans un logement 63 d'au moins lin des segments de façon à empêcher toute rotation entre 35 1& cage 48 et le mécanisme d'encliquetage. Chaque segment comporte une partie supérieure de faible diamètre filetée à gauche et une partie inférieure de plus grand diamètre filetée à droite. Les filets supérieurs 63 de profil triangulaire sont dirigés vers le bas tandis que les filets inférieurs 64, également de profil triangulaire, sont dirigés vers le haut. Les filets inférieurs 70 44659 5 2073467 64 s'engagent dans un filetage correspondant 65 réalisé à la partie inférieure du corps 11 empêchant ainsi tout mouvement vers le haut de la cage 48 par rapport au corps tant qu'ils ne sont pas dévissés du corps par une rotation dextrorsum de ce dernier. Les filets supérieurs 63 peuvent venir s'engager 5 sur une crémaillère filetée 66 réalisée sur le corps 11 à une certaine distance au-dessus du filetage 64. Les filets 63 peuvent être engagés sur la crémaillère 66 par un mouvement longitudinal descendant du corps par rapport à la cage. Le dispositif d'encliquetage 59 coopère avec le filetage 64 et la crémaillère 66 pour immobiliser le packer soit en position de descente, soit en position 10 d'ancrage, ce dispositif ne pouvant être déverrouillé que par rotation du corps 11 vers la droite. Les gaines supérieure 49 et inférieure 50 comprennent respectivement deux parties cylindriques 68 et 69 télescopiques qui forment tin logement annulaire interne 70 autour du corps 11 et du tube 47. Les deux gaines 49 et 50 15 peuvent se déplacer légèrement dans le sens longitudinal l'une par rapport à l'autre grâce à des goupilles J2 fixées dans la gaine inférieure et s'engageant dans des fentes longitudinales 75 de la gaine supérieure. Des rondelles élastiques 74, du type Belleville par exemple, peuvent être utilisées pour éloigner les gaines 49 et 50 l'une de l'autre. 20 Cowne représenté plus en détail sur la figure 4, une came annulaire 78 est plaeée en appui contre la partie supérieure de la partie cylindrique 69. La cane 78, fendue radialeaent de façon à pouvoir changer de diamètre, comporte une première surface inclinée inférieure 79 La couronne 85, montée de façon à pouvoir se déplacer longitudinalement d'une longueur limitée par rapport à la partie cylindrique 69, peut comporter une collerette 88 qui vient se placer dans un logement annulaire 89 de la partie cylindrique. La couronne 85 est repoussée vers le haut par un ressort en com-35 pression 90. Le tube 47, solidaire du cône d'expansion comporte une crémaillère 91 à la périphérie de son extrémité inférieure. La couronne 85 a des dents internes correspondantes 92 qui peuvent s'engager sur la crémaillère 91 lorsque la couronne est repoussée vers l'intérieur par la came annulaire 78. 70 44659 6 2073467 En fonctionnement, les différents éléments du packer 10 peuvent être montés comme représenté sur les figures 1A et 1B en vue de sa descente dans le puits. La collerette JO à l'extrémité supérieure du corps 11 empêche tout mouvement vers le bas du coulisseau 25 par rappôrt au manchon de compression 5 17, et les goupilles 41 situées à l'extrémité inférieure du manchon de compression empêchent tout mouvement vers le bas du cône d'expansion 39 par rapport aux eoins d'ancrage 43. Le filetage inférieur 65 du corps 11 est engagé dans le dispositif d'encliquetage 59* empêchant tout mouvement vers le haut de la cage 48 par rapport au cône d'expansion 39 de sorte que les coins 43 sont 10 maintenus le long du corps pendant toute la descente dans le tubage. De même, la garniture d'étanchéité 19 reste en position non comprimée jusqu'à ce que l'on désire mettre en place le paeker 10. Pendant la descente, les fluides présents dans le sondage peuvent s'écouler à la fois autour de la garniture d'étanchéité 19 et par le passage de dérivation 18 situé entre le manchon de 15 compression 17 et le corps 11. A la profondeur d'ancrage désirée, on fait tourner le corps 11 au moyen de la colonne de tiges d'un nombre suffisant de tours vers la droite pour dégager le dispositif d'encliquetage 59 du filetage inférieur 65 du corps. Les sabots de frottement 55 en appui contre la paroi du tubage empêchent toute 20 rotation de la cage 48 pendant cette opération. On déplace ensuite vers le bas le corps 11 par rapport à la cage 48 de façon à ancrer le packer. Pendant ce mouvement descendant, le cône d'expansion 39 se déplace vers le bas par rapport aux coins d'ancrage 43 et écarte ces coins jusqu'à ce qu'ils viennent en contact avec la paroi du tubage. 25 Après ancrage des coins 43, le manchon de compression 17 continue à se déplacer vers le bas jusqu'à ce que son extrémité inférieure vienne en butée contre la face supérieure du cône d'expansion 39• La collerette 30 du corps 11 vient alors en appui sur 1'épaulement 29 du coulisseau 25 et le poids appliqué sur la colonne de tiges a pour effet de déplacer la butée mobile 24 30 vers la butée 23 comprimant ainsi les anneaux d'étanchéité 20 à 22 jusqu'à ce qu'ils viennent en contact avec la paroi du tubage. Le mouvement vers le bas du corps 11 par rapport au raanehon de compression 17 déplace l'obturateur cylindrique 34 vers le bas à l'intérieur du corps de vanne 32 fermant ainsi le passage de dérivation 18. 35 Lorsque le corps 11 se déplace vers le bas par rapport à la cage 48, la crémaillère 66 s'engage dans le dispositif d'encliquetage 59 qui maintient le corps dans sa position la plus basse, verrouillant ainsi le paeker 10 en position d'ancrage. Le tube 47 du cône d'expansion est quelque 70 44659 7 2073467 peu déplacé vers le bas par rapport à la couronne 85 mais la crémaillère 91 et les dents 92 de la couronne ne s'engagent pas encore. La position des différents éléments du packer après ancrage est représentée sur les figures 2A et 2B. 5 Toute augmentation de pression dans le sondage au-dessus de la gar niture d'étanchéité 19, ou une force descentante supplémentaire appliquée sur le corps 11 à l'aide des tiges a seulement pour effet d'ancrer plus profondément le paeker 10 dans la paroi du sondage. Tout déplacement vers le bas du corps 11 par rapport à la cage 48 est maintenu par le dispositif d'encli-10 quetage 59. De plus, le packer est réalisé, selon l'invention, de façon que les coins d'ancrage 43 soient maintenus en contact avec le tubage lors de l'application d'une force ascendante sur le corps 11. Cette force ascendante peut être due à un effort de traction sur les tiges ou à une augmentation de pression dans le sondage sous la garniture d'étanchéité 19. 15 Dans ce cas, la gaine inférieure 50 de la cage 48 se déplace légère ment vers le haut par rapport à l'enveloppe supérieure 49. La surface inclinée 80 déplace vers l'intérieur de l'appareil la came annulaire 78 qui repousse la couronne 85 vers l'intérieur jusqu'à ce qu'elle engage la crémaillère 91 du tube 47 comme représenté sur la figure 4. Par la suite, du fait du système 20 inverseur de force constitué par la came et les surfaces inclinées en contact, toute force ascendante appliquée à la gaine inférieure 50 se traduit par une force descendante appliquée au cône d'expansion, cette force descendante se transmettant au câne d'expansion 39 par l'intermédiaire des organes d'entraînement formés par la couronne 85 et la crémaillère 91 et. ayant pour effet d'aug-25 menter la force latérale d'ancrage des coins 43. On a ainsi réalisé un dispositif de transmission d'efforts comprenant un élément moteur formé par la gaine inférieure 50, un système inverseur de force constitué par la came 78 et les surfaces inclinées en contact, et des organes d'entraînement du cône d'expansion 59 formés par la couronne 85 et la crémaillère 91 • Ce dispositif 30 de transmission transforme les forces ascendantes appliquées au corps en des forces descendantes appliquées au mécanisme d'expansion. Par suite de la liberté de mouvement permise entre le manchon de compression 17 et le cône d'expansion 39 par la connexion constituée par les goupilles 41 et les fentes 40, une force ascendante due à une pression de 35 fluide plus élevée agissant à la partie inférieure de la garniture d'étanchéité 19 n'est pas transmise au cône d'expansion. Par contre, cette pression plus élevée agit sur la section transversale du manchon de compression 17 et applique une force à l'extrémité de la garniture d'étanchéité de façon à la maintenir contre la paroi du tubage. 70 44659 8 2073467 Lorsqu'on désire dégager le packer 10 pour le récupérer ou pour l'ancrer à une profondeur différente, on fait tourner le corps 11 vers la droite au moyen de la colonne de tiges tout en lui appliquant une tension vers le haut. La crémaillère 66 filetée à gauche coopère avec le dispositif d'en-5 cliquetage 59 pour faire avancer le corps vers le haut par rapport à la cage 48. Ce déplacement relâche la force de compression appliquée aux anneaux d'étanchéité 20 à 22 qui se rétractent. Eventuellement, le coulisseau 25 est déplacé vers le haut par la collerette JO du corps 11, ce coulisseau entraînant vers le haut le manchon de compression 17 par rapport au cône d'expansion 10 39. Lorsque le dispositif d'encliquetage 59 est dégagé de la crémaillère 66 du corps, aucune force ascendante ne s'exerce sur la gaine inférieure 50 ce qui permet à la couronne 85 de se dégager de la crémaillère 91 du tube 47. Le câne d'expansion 39 peut alors se déplacer vers le haut par rapport aux 15 coins d'ancrage 43 qui sont ramenés le long de l'appareil. Lorsque le corps 11 atteint sa position la plus haute par rapport à la cage 48 le filetage inférieur 65 s'engage de nouveau dans le dispositif d'encliquetage 59* verrouillant ainsi l'appareil dans sa position initiale de descente. L'appareil qui vient d'être décrit, bien qu'équipé d'un seul dispo-20 sitif d'ancrage, est immobilisé vers le haut et vers le bas lorsque des pressions ou des forces mécaniques lui sont appliquées. Cet appareil peut évidemment faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation tout- en gardant les mêmes principes de fonctionnement que l'exemple décrit ci-dessus. 70 44659 9 2073467 REVENDICATIONS 1. Appareil de forage adapté à être aneré dans un puits du genre comprenant un corps et des coins d'ancrage adaptés à s'écarter dudit corps pour venir en contact avec la paroi du puits sous l'action d'un mécanisme d'expansion 5 déplaçable vers le bas par rapport auxdits coins, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de transmission d'efforts adapté à transformer les forces ascendantes appliquées audit corps en des forces descendantes appliquées audit mécanisme d'expansion de façon à maintenir fermement lesdits coins en appui contre la paroi du puits. 10 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission comprend, entre ledit corps et ledit mécanisme d'expansion, une liaison mécanique susceptible d'être découplée. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission comprend un élément moteur relié audit corps et 15 déplaçable vers le haut par rapport auxdits coins d'ancrage et un système inverseur de force adapté à appliquer une force descendante sur ledit mécanisme d'expansion en réponse à un mouvement ascendant dudit élément moteur. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit système inverseur de force comprend une came susceptible d'être déplacée latéralement et 20 comportant des surfaces inclinées par rapport à l'axe longitudinal dudit corps de façon à fournir une force dont le sens est inversé par rapport à la force ascendante appliquée audit élément moteur, et des organes d'entraînement pour appliquer ladite force inversée audit mécanisme d'expansion. 5. Appareil selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite came a une 25 forme de coin comportant une première surface inclinée qui coopère avec une surface correspondante dudit élément moteur et une deuxième surface inclinée qui coopère avec une surface correspondante des organes d'entraînement. 6. Appareil selon l'une des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que lesdits organes d'entraînement sont constitués par une pièce dentée déplaçable laté- . JO ralement par rapport à une crémaillère solidaire dudit mécanisme d'expansion, ladite pièce dentée engagée dans ladite crémaillère pour transmettre ladite 70 44659 10 2073467 force inversée audit mécanisme d'expansion, pouvant être dégagée de cette crémaillère pour permettre un mouvement longitudinal dudit mécanisme d'ex» pansion par rapport auxdits coins d'ancrage. 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6 du genre comprenant un dis» 5 positif d'étanchéité porté par ledit corps et susceptible de venir en con tact contre la paroi du sondage, caractérisé en ce que ledit dispositif d'étanchéité est relié audit mécanisme d'expansion par une connexion permettant une certaine liberté de mouvement, de façon à pouvoir appliquer une force sur ledit mécanisme d'expansion, indépendamment dudit dispositif 10 d'étanchéité. 8. Appareil selon la revendication 7» caractérisé en ce que ledit dispositif d'étanchéité comprend un manchon de compression et une garniture d'étanchéité élastique, placée sur ledit manchon, ladite connexion reliant ledit manchon audit mécanisme d'expansion. 15 9. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit élément moteur est formé par une gaine inférieure disposée sur ledit corps, lesdits coins d'ancrage étant reliés à une gaine supérieure montée sur ledit corps, lesdites gaines étant reliées par une connexion permettant une certaine liberté de mouvement longitudinal. 20 10. Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce que ladite gaine inférieure est reliée audit corps par un dispositif d'encliquetage adapté à transmettre à ladite enveloppe inférieure les forces ascendantes appliquées audit corps.