Brevet FR2143811A1 — publié le 19730209

La présente invention concerne, d'une façon générale, les outils utilisés dans les puits de forage et, plus particulièrement, les tampons de pistonnage. Ces tampons de pistonnage se présentent en général sous la forme d'un piston qui peut être introduit dans un tube logé dans un puits contenant un liquide et qui, lorsqu'il est ensuite soulevé, soutient la partie de ce liquide qui se trouve au-dessus de lui et l'élève. Des abaissements et des soulèvements répétés du tampon de pistonnage permettent de vider le puits de forage du liquide qu'il contient. Il existe de nombreuses formes de tampons de pistonnage de conception antérieure, certains d'entre eux comportant une pluralité d'éléments de pistonnage très courts en direction axiale par rapport à leur diamètre, et d'autres comportant des éléments de pistonnage relativement longs. D'autre part, certains tampons de pistonnage de conception antérieure comportent des éléments de pistonnage courts intercalés entre des éléments de pistonnage longs Un inconvénient de ces tampons de pistonnage de conception antérieure consiste en ce que les éléments de pistonnage courts sont exposés à une mise hors service prématurée par déchirure d'un segment de leur lèvre, la partie déchirée venant s'appliquer contre l'élément immédiatement inférieur, lequel est déjà soumis à une pression de soulèvement très forte, se coince entre celui-ci et la paroi du tube et endommage ledit élément très fortement chargé0 Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, les tampons de pistonnage de construction antérieure ne comportent, dans certains cas, que des éléments de pistonnage longs Liais il était antérieurement et universellement admis que lorsqu'un tampon de pistonnage ne comportait que des éléments longs, les surfaces latérales de ces éléments devaient avoir une certaine conicité. Les tampons de pistonnage du type généralement utilisé antérieurement et comportant des éléments de pistonnage longs sont décrits, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'kmé- rique NO 3 166 334 et NO 3 489 066c Il était considéré nécessaire de donner une certaine conicité à la surface latérale de tels tampons de pistonnage de conception antérieureo Par exemple, le brevet Waldrup précité indique que cette conicité doit être comprise entre 1/2 et 3 . Â titre d'autre exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 483 066 précité indique que cette conicité doit être d'un quart de degré environ.Les spécialistes de la question ont toujours admis qu'une telle coni était était nécessaire pour permettre au tampon de pistonnage de descendre librement dans le puits de forage. kawis il a été observé par la présente Demanderesse qu'une telle conicité avait pour résultat une usure inégale des parois du tampon et, par suite, une diminution de sa durée de vie utiles Par suite, l'objet principal de la présente invention est la réalisation dtun tampon de pistonnage de type nouveau et perfectionné résistant mieux à l'usure et ayant une plus longue vie utile0 Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un tampon de pistonnage de type nouveau et perfectionné résistant mieux à l'usure. Un autre objet de l'invention est la réalisation d'un tampon de piston nage de type nouveau et perfectionné dont les caractéristiques physiques sont optimales et dont les parois latérales ne sont pas tronconiques. Ces buts sont atteints dans l'invention et d'une façon générale par l'emploi d'un tampon de pistonnage dont le rapport de la longueur à l'épaisseur est pratiquement le même sur toute la longueur de chacune de ses sections et qui a une vie utile plus longue. La description qui va suivre, et le dessin annexé donné surtout à titre d'exemple non limitatif, feront mieux comprendre comment la présente invention peut être réalisées Sur le dessin annexé - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un tampon de pistonnage conforme à 11 invention - la figure 2 représente à plus grande échelle une partie du tampon de pistonnage de la figure 1 ; et - la figure 3 représente à plus grande échelle une autre partie de ce tampon0 La figure 1 du dessin annexé représente un tampon de pistonnage conforme à l'invention et désigné dans son ensemble par la référence 10.Ce tampon de pistonnage 10 a une longueur L d'environ 125 mm. il comporte trois éléments de pistonnage 11, 12 et 13, séparés par deux gorges annulaires respectivement référencées 14 et 150 Tous ces éléments forment un corps moulé d'une seule pièce en matière caoutchouteuse ayant les caractéristiques qui seront définies plus loin. Ce tampon de pistonnage est supporté par le mandrin d'un outil (non représenté) et, par suite, il est souvent désirable qu'il soit percé dans toute sa longueur d'un alésage axial 16. il est alors désirable que le corps du tampon de pistonnage soit soutenu par un tube 17, tube d'acier ou d'aluminium par exemple. Ainsi qu'il a été précédemment indiqué, la Demanderesse a observé que les surfaces latérales des éléments de pistonnage 11, 12 et 13 ne doivent avoir pratiquement aucune conicité, c'est-à-dire que l'épaisseur X de l'élément de pistonnage Il doit être sensiblement constante sur toute sa longueur Y. De meme, l'épaisseur des éléments de pistonnage 12 et 13 doit autre constante sur toute leur longueur Y. On notera aussi que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque les longueurs des éléments 11, 12 et 13 sont sensiblement égales. La profondeur des gorges G4 et 15 du corps élastique du tampon de pistonnage mesurée à partir de la surface latérale de ce tampon doit être suffisante pour que le fond de ces ores soit suffisamnent voisin du tube 17 afin que deux éléments de pistonnage adjacents séparés par l'une de ces gorges fonctionnent pratiquement indépendazzent l'un de l'autre, c'est-à-dire qu'aucun volume appréciable du caoutchouc constitutif du tampon n'ait tendance à fluer de l'élément supérieur dans l'élément inférieur adjacents D'autre part, il importe qu'une épaisseur de caoutchouc suffisante sépare le fond de ces gorges et la surface latérale du tube 17 afin qu'il n'y ait aucun risque que le caoutchouc se fende dans ces régions et expose à la corrosion le tube métallique 17. La figure 2 représenteus en détail la partie du tampon de pistonnage de la figure 1 entourée du cercle pointillé 18. Les génératrices de la surface tronconique 19 de l'élément de pistonnage 11 font un angle À avec l'axe longitudinal du tube 17o De préférence, cet angle À doit être compris entre 15 et 250 ou, mieux encore, doit être égal à 210. Les génératrices de la surface tronconique 20 de l'élément de pistonnage 11 font un angle B avec le plan 21 perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube 17. De préférence, cet angle B doit être compris entre 15 et 200 ou, mieux encore, doit être égal à 170. La hauteur de la partie g de la section droite de l'élément de pistonnage 11 est égale, de préférence, à 0,8 mm.Le rayon de raccordement des deux surfaces 19 et 20 est de préférence égal à 2 mm, son centre U étant situé à une distance V égale à 5,70 mm du plan 22 perpendiculaire à l'axe du tube 17 qui coïncide avec celui de l'extrémité de ce tube. La figure 3 représente plus en détail les parties d'extrémité des éléments de pistonnage 12 et 13 entourées du cercle pointillé 25 sur la figure 1. Les génératrices de la surface tronconique 26 de l'élément de pistonnage 12 font un angle C avec un plan 27 perpendiculaire à l'axe longitudinal du tube 17. De préférence, cet angle C doit être compris entre 45 et 550 ou, mieux encore, doit être égal à 500. L'angle B de la figure 3 est le même que l'angle B de la figure 2 et, de préférence, est égal à 170o Ainsi qu il a été précédemment indiqué, la Demanderesse a observé que, contre toute attente, le rapport entre la longueur de chacune des sections de pistonnage et l'épaisseur de leur section droite doit être sesiblement constante sur toute sa longueur, et que ce rapport doit être compris entre deux et quatre environ.La détermination de la valeur exacte à donner à ce rapport sera mieux comprise à la lecture des Exemples qui vont suivre et qui décrivent divers tampons de pistonnage pouvant être utilisés dans des tubes de diamètres les plus courants. - EXE[LE 1 - Cet exemple se rapporte au tampon de pistonnage à éléments multiples illustré par les figures 1, 2 et 3 et décrit ci-dessus. Dans ce tampon, la longueur Y de chacun des éléments de pistonnage 11, 12 et 13 est de 30,2 mmo Le tampon de pistonnage du présent exemple est principalement destiné à autre utilisé dans un tube de 60,5 mm. L'épaisseur X de la section droite de chaun des éléments 11, 12 et 13, en dehors des interruptions dues aux gorges 14 et 15 et à celle entourée du cercle 18, est 9,67 mmo Par suite, le rapport Y/X est égal à 3,10. Ainsi qu'il a été précédemment indiqué, il est hautement désirable que le rapport Y/S soit constant sur toute la longueur Y. On remarquera d'autre part que les autres dimensions du présent exemple comprennent une dimension Z, diamètre exté- rieur du tube métallique 17, qui est de 30,2 mm, de sorte que le diamètre extérieur de chacun des éléments de pitonnage est égal à Z + 2x, soit 49,54 mm. - EXEIPLE 2 Le tampon de pistonnage décrit dans cet exemple de réalisation est principalement destiné à être utilisé dans un tube de pompage de 60s5 mm à paroi mince et comporte aussi un tube métallique 17 de 30,2 mm de diamètre extérieur, mais ses éléments de pistonnage ont un diamètre extérieur de 49,02 mmo Dans ce cas, il a été reconnu désirable que la longueur Y soit de 30,5 mm et que l'épaisseur X de la section droite de chacun des éléments de pistonnage soit de 9,42 mmO Ces dimensions donnent au rapport Y/X la valeur 3s23. - EXEMPLE 3 Cet exemple se rapporte à un tampon de pistonnage destiné principalement à être utilisé dans un tube de pompage de 73 mm, son tube métallique ayant un diamètre extérieur de 38 mm et le diamètre extérieur de ses éléments de pistonnage étant de 60p8 mm. Ces éléments ont chacun une longueur Y de 29,3 mm et une épaisseur de section droite X de 11,35 mm, et le rapport Y/I est 2,58. - MEllliPLE 4 Cet exemple se rapporte à un tampon de pistonnage utilisable dans un tube de pompage de 60,5 mm mais dont le diamètre du tube intérieur est plus grand pour faciliter ses mouvements dans le puits. En effet, si l'alésage axial du tampon est augmenté, il est offert au fluide un passage de dérivation plus grand.Le diamètre extérieur du tube intérieur du tampon passant à 31,75 mm, ce qui donne pour chacun des éléments de pompage un diamètre extérieur de 49,5 mm, l'épaisseur X de ces éléments est 8,9 mm et, la longueur Y étant de 30,2 mm, le rapport X/Y est maintenu à 3,390 - EXEIE 5 Le tampon de cet exemple est principalement destiné à eAtre utilisé dans un tube de pompage de 60,5 mm, le diamètre extérieur de son tube métallique étant 34,3 mm et celui de ses éléments de pistonnage étant de 49,5 mm. L'épaisseur X de la section droite de chacun de ces éléments est donc 7,6 mm.La longueur Y de chacun de ces éléments est 30,5 mm. Le rapport Y/I est donc approximativement égal à 4o - BIPALE 6 Cet exemple se rapporte à un tampon de pistonnage utilisable dans un tube de pompage de 73 mm (la longueur Y de chacun de ses éléments étant maintenue à 30,5 mm, le diamètre extérieur du tampon étant maintenu à 60,8 mm et le tube axial métallique ayant un diamètre extérieur plus petit égal à 30,2 mm). il en résulte pour l'épaisseur X une valeur de 15s30 mm. Par conséquent, le rapport Y/X est égal à 1,98, valeur qui est très proche de 2. Dans chacun des exemples ci-dessus, il a été décrit un mode de réalisation spécifique de l'invention dans lequel le rapport de la longueur de chacun des éléments de pistonnage à l'épaisseur de sa section droite est maintenu sensiblement uniforme sur toute la longueur de l'élément et est compris entre deux et quatre0 La Demanderesse a observé que, dans tous les cas, la paroi latérale de chacun des éléments de pistonnage doit être pratiquement cylindrique, ctest-à-dire ne présenter aucune conicité0 Toutefois, et du fait que les tolérances de fabrication peuvent donner à ces éléments une légère conicité, la Demanderesse a établi que, pourvu que le rapport précité demeure constant à 0,02 près en plus ou en moins sur la longueur de chaque élément de pistonnage, ces éléments s'rusent uniformément sur toute la longueur du tampon et leur résistance à l'usure sten trouve fortement améliorée. Ainsi, par exemple, si le rapport de la longueur à l'épaisseur des éléments de pistonnage est 3X20 à l'une des extrémités de ces éléments, ce rapport doit se situer entre 3,18 et 3,22 dans toutes les autres sections droites de l'élé- ment pour que soient obtenus les résultats désirés que la présente invention permet d'obtenir De plus, bien que la matière connue sous l'appellation néoprène soit envisagée par l'invention pour la fabrication du corps élastomère du tampon, tout homme du métier comprendra que d'autres matières élastomères ayant les caractéristiques physiques requises peuvent aussi être employées On notera que, dans les discussions relatives aux caractéristiques des tampons de pistonnage en caoutchouc, les spécialistes de la question parlent fréquemment de divers paramètres physiques, tels que la dureté d'un caoutchouc exprimée en degrés Shore ou Rex et le module d'élasticité caractéristique du caoutchouc spécifié au préparateur du mélange de départ d'un caoutchouc, ce module d'élasticité étant une mesure de la rigidité utilisé par les techniciens du caoutchouc pour définir la résistance d'un caoutchouc à la traction pour un allonement donné. Ce module d'élasticité est toujours mesuré à la traction et, en général, pour un allongement de 3CCi; ou supérieur. En d'autres termes, ce module est le rapport de la charge à la déformation, c'est à dire la charge par cm2 de section initiale de l'éprouvette nécessaire pour obtenir un allongement donné0 Un autre paramètre intéressant est la charge de rupture qu'ne matière est capable de supporters C'est la force par unité de surface de la section droite initiale de l'éprouvette appliquée au moment de la rupture de celle-ci et est désignée de diverses façon par exemple "charge de rupture", "résistance à la rupture", charge de rupture à la traction. Elle s'exprime en kg par cm de section droite de l'éprouvette, celle-ci n'étant soumise à aucune tractions Un autre paramètre intéressant est l'allongement limite, exprimé en pourcentage et pour le calcul duquel l'augmentation de la distance entre deux marques faites sur l'éprou- vette et provenant de l'application d'une force de traction donnée est rapportée à la distance initiale de ces marques0 Ltallongement limite est l'allongement au moment de la rupture. Par exemple, si deux marques distantes de 25 mm sont faites sur une éprouvette qui est ensuite étirée de façon que cette distance devienne 175 mm, l'allongement constaté est de 150 mm, clest-à-dire 600%. Toutefois, la Demanderesse a observé que le paramètre primordial est la résistance à la déchirure du caoutchouc utilisés Ce paramètre, communément utilisé par les spécialistes de la fabrication des caoutchoucs manufacturés, est la force nécessaire pour déchirer transversalement et complètement une éprouvette en caoutchouc entaillée ou une éprouvette en caoutchouc en forme d'équerre par allongement à un taux spécifié. il sgexprime en kg par cm d'épaisseur de la section de l'éprou- cette il peut être appelé "résistance (C) à la déchirure, la lettre C, ou une autre, indiquant le poinçon particulier utilisé pour entailler l'éprouvette. La demanderesse a observé que la résistance à la déchirure est un paramètre très important en ce qui concerne la durée de vie utile dgun tampon de pistonnage en caoutchouc et quelle doit, de préférence, être d'au moins 160 kg/cm, ou mieux encore d'au moins 200 kg/cmO Des essais comparatifs ont été effectuée et ont montré que, tous les autres facteurs et paramètres étant maintenus constants, un tampon de pistonnage en caoutchouc conforme à '"vnticn et dont la résistance à la déchirure est supérieure à 2CO k-,'c m a une durée de vie fortement accrues Ainsi qu'il est bien connu des spécialistes de la fabrication des caoutchoucs, en vue d'obtenir un mélange donnant un caoutchouc présentant une bonne résistance à la déchirure, le préparateur d'un tel mélange choisit un élastomère à haute résistance, un renforçateur fortement structuré et une huile compatible avec l'élastomèreO Un accélérateur à faible vitesse de réaction est en général utilisé pour ralentir la vitesse de cuisson du mélangeo La Demanderesse a observé que Si l'on prépare un mélange en vue d'obtenir une augmentation de la résistance à la déchirure du caoutchouc fabriqué, on abaisse en général le module d'élasticité de ce caoutchouc, mais cette diminution du module d'élasticité n'a aucun effet appréciable sur les caractéristiques du caoutchouc autre que celui d'améliorer la durée de vie utile du tampon de pistonnage. Toutefois, la Demanderesse a observé au cours d'essais étendus on laboratoire et sur le terrain que, outre la résistance à la déchirure spéeifiée, les autres caractéristiques physiques du caoutchouc du tampon doivent autre les suivantes s dureté minimale au duromètre : 70+5 module d'élasticité mini- mal à 30026 d'allongement : 77 kg/cm ; résistance minimale à la rupture : 185 kg/cm2 ; et allongement minimal à la rupture t 550960 il a donc été décrit ci-dessus et il]ustré sur le dessin annexé un mode de réalisation préféré d'un tampon de pistonnage tout en caoutchouc, de type nouveau et perfectionné conforme à l'invention et dont la durée de vie utile et la résistance à l'usure sont fortement amélioréeso Bien que divers modes de réalisation préférés de l'invention aient été décrits, tout homme du métier jugera évidentes certaines modifications possibles de ces modes de réalisation, telle par exemple, celle consistant, tout en maintenant constant le rapport entre la longueur et 11 épaisseur de la section droite de chaque élément de pistonnage, à choisir pour ce rapport une valeur qui se situe en dehors des limites deux et quatre indiquées. Une telle modification est envisagée par l'invention, pourvu que chaque élément de pistonnage ait une longueur minimale de 25 mm environs Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprits R1;VENDlCÀTl0NS 1) Tampon élastique pour le pistonnage d'un tube logé dans un puits, ce tampon étant caractérisé en ce qu'il comporte un tube de soutien long et cylindrique et un corps cylindrique élastomère adhérant à la surface latérale dudit tube et ayant une longueur de pistonnage donnée et une épaisseur de section droite donnée, ladite longueur donnée étant d'au moins 25 mm et le rapport de cette longueur à ladite épaisseur étant maintenu très sensiblement constant sur toute ladite longueur. 2) Tampon de pistonnage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur dudit rapport est comprise entre deux et quatre. 3) Tampon de pistonnage selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit rapport est maintenu constant à + 0,02 près sur toute ladite longueurs 4) Tampon de pistonnage selon la revendication 2, caractérisé en ce que son corps élastomère est en caoutchouc synthétique connu sous l'appellation néoprène ayant une résistance à la déchirure d'au moins 160 kg/cmO 5) Tampon élastique pour 7e pistonnage atun tube logé dans un puits, ce tampon étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps élastomère cylindrique formant sur tcute sa longueur un alésage dont l'axe colncide avec son axe longitudinal, ce corps ayant une longueur de pistonnage donnée et une épaisseur de section droite donnée, ladite longueur donnée étant d'au moins 25 mm, et le rapport de cette on > -ueur à ladite épaisseur étant maintenu très sensiblement uniforme sur toute ladite longueur0 6) Tampon de pistonnage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la valeur dudit rapport est comprise entre deux et quatre0 7) Tampon de pitonnage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit rapport est maintenu constant à + 0,02 près sur toute ladite longueur0 8) Tampon de pistonnage selon la revendication 6, caractérisé en ce que son corps élastomère est en caoutchouc synthétique connu sous l'appellation néoprène ayant une résistance à la déchirure d'au moins 160 kg/cmO 9) Tampon élastique pour le pistonnage d'un tube logé dans un puits, ce tampon étant caractérisé en ce qu'il comporte un corps élastomère cylindrique formant sur toute sa longueur un alésage dont l'axe coïncide avec son axe longitudinal, ce corps ayant une longueur de pistonnage donné et une épaisseur de section droite donnée, le rapport de ladite longueur à ladite épaisseur étant maintenu très sensiblement constant sur toute ladite longueur, et ce corps élastomère étant en caoutchouc synthétique connu sous l'appellation néoprène dont la résistance à la déchirure est au moins égale à 160 kg/cm. 10) Tampon de pistonnage selon la revendication 9, caractérisé en ce que la valeur dudit rapport est comprise entre deux et quatre. 11) Tampon de pistonnage selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit rapport est maintenu constant à + 0,02 près sur toute ladite longueur0 12) Tampon élastique pour le pistonnage d'un tube logé dans un puits, ce tampon étant caractérisé en ce gu'il comporte un corps élastomère cylindrique formant sur toute sa longueur un alésage dont l'axe coïncide avec son axe longitudinal, ce corps formant une pluralité d'éléments de pistonnage mutueller.ent adjacents, chacun de ces éléments ayant une longueur donnée au moins égale à 25 mm et une épaisseur de section droite donnée, le rapport de la longueur de chaque élément de pistonnage à l'épaisseur de sa section droite étant très ses blenent uniforme sur toute la longueur de l'élément, et les éléments de pistonnage adjacents étant séparés l'un de l'autre par une gorge annulaire s'étendant dans le corps du tampon entre les deux éléments adjacents, 13) Tampon de pistonnage selon la revendication 12, caractérisé en ce que son corps est fait en caoutchouc synthé tiaue connu sous l'appellation néoprène ayant une résistance à la déchirure dsau moins 200 kg/cm. 14) Tampon de pistonnage selon la revendication 13, caractérisé en ce que son corps élastomère a un module d'élasticité à 300% d'allongement d'au moins 77 kg/cm. 15) Tampon de pistonnage selon la revendication 13, caractérisé en ce que son corps élastomère a une résistance à la traction d'au moins 185 kg/cm2. 16) Tampon de pistonnage selon la revendication 13, caractérisé en ce que son corps élastomère a un allongement à la rupture d'au moins 550 17) Tampon de pistonnage selon la revendication 13, caractérisé en ce que son corps élastomère a un module d'élasticité à 300% d'allongement d'au moins 77 kg/cm2, une résistance à la traction d'au moins 185 kg/cm2 et un allongement à la rupture d'au moins 55oe/o,o 18) Tampon de pistonnage selon la revendication 14, caractérisé en ce que son corps élastomère a une résistance de rupture à la traction d'au moins 185 kg/cm2. 19) Tampon de pistonnage selon la revendication 14, caractérisé en ce que son corps élastomère a un allongement à la rupture d'au moins 550cru 20) Tampon de pistonnage selon la revendication 15 caractérisé en ce que son corps élastomère a un allongement à la rupture d'au moins 550%. 21) Tampon de pistonnage selon la revendication 12, caractérisé en ce que la valeur dudit rapport est comprise entre deux et quatre0 22) Tampon de pistonnage selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit rapport est maintenu constant à + 0202 près sur toute ladite longueur. 23) Tampon de pistonnage selon la revendication 21, caractérisé en ce que son corps élastomère est en caoutchouc synthétique connu sous l'appellation néoprène ayant une résistance à la déchirure d'au moins 160 kg/cm. 24) Tampon élastique pour le pistonnage d'un tube logé dans un puits, ce tampon étant caractérisé en ce qu'il comporte un corps élastomère cylindrique formant un alésage s'étendant sur toute sa longueur et dont l'axe coïncide avec son axe longitudinal, ce corps formant une pluralité d'éléments de pistnnage mutuellement adjacents, chacun de ces éléments ayant une longueur donnée et~ une épaisseur de section droite donnée, le rapport de ladite longueur à l'épaisseur de section droite de chacun de ces éléments étant maintenu très sensiblement uniforme sur toute ladite longueur, et les éléments adjacents étant séparés l'un de l'autre par une gorge annulaire s'étendant dans le corps du tampon entre les éléments adjacents considérés0 25) Tampon de pistonnage selon la revendication 24, caractérisé en ce que la valeur dudit rapport est comprise entre deux et quatre. 26) Tampon de pistonnage selon la revendication 25, caractérisé en ce que ledit rapport est maintenu constant à + 0,02 près sur toute ladite longueur.