Brevet FR2268939A1 — publié le 19751121

La présente invention est relative à un appareil permettant d'injecter sélectivement un liquide de traitement dans une couche géologique déterminée traversée par un puits de forage. L'appareil conforme à l'invention est notamment applicable à l'acidification de roches carbonatees aquifères et à la perméabilisation de zones argileuses aquifères par des solutions de polyphosphates. Comme on sait, il est usuel, pour exploiter dans un forage des couches poreuses imprégnées d'un liquide, par exemple d'eau, d'assurer une perméabilité maximale desdites couches ou même de creer une telle perméabilité si les conditions locales la rendent inexistante. L'un des buts de l'injection d'une solution d'acide dans la roche traversée par le puits de forage est notamment d'assurer la dissolution d'une partie des éléments carbonatés, ce qui provoque dans la roche l'ouverture de fissures ou l'agrandissement de pores existants qui sont colmatés par des minéraux argileux que seule une injection de polyphosphate permet de défloculer, en rendant ainsi la couche perméable à la pénétration d'un liquide de traitement. Jusqu'à présent, un tel liquide de traitement est injecté à travers le train des tiges de forage, l'extrémité inférieure ouverte de la premiere tige se trouvant au niveau de la couche à traiter. Cette façon de proceder présente en soi de graves inconvénients qui sont, d'une part, une certaine imprécision de la pénétration du liquide de traitement dans la roche et, d'autre part, une dispersion inutile dudit liquide, ce qui augmente considérablement la depense en liquide de traitement sans pour autant assurer en fait un traitement optimal de la roche. La présente invention remedie à ces inconvénients et elle vise la réalisation d'un appareil permettant un traitement localisé d'une zone déterminez de la roche traversée par un puits de forage. L'appareil conforme à l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il est constitué par un élément tubulaire borgne --vissable à l'extrémité du train de tiges d'un derrick de forage, ledit gisement tubulaire comportant deux organes annulaires d'etanchéite disposés à intervalle l'un de l'autre et ménageant entre eux, au niveau de la portion rocheuse à traiter, un compartiment étanche dans lequel un liquide de traitement peut être injecté depuis le train de tiges. Selon une caractéristique de l'invention, les organes annulaires d'étanchéité sont constitués par deux corps annulaires enfilés sur un élément tubulaire raccordable à la tige inferieure du train de tiges et servant au maintien de deux joints toriques élastiques creux dans lesquels un fluide de pression peut être injecté pour assurer leur application étanche sur la paroi du puits de forage. Dans une forme de réalisation préferée de l'appareil, le fluide de pression est constitué par un liquide incompressible, notamment par de l'huile. Selon une autre caractéristique de l'invention, le fluide assurant l'expansion des éléments toriques élastiques d'étanchéité est délivré par un piston differentiel à double corps soumis à l'action d'un ressort de rappel et manoeuvrable, à l'encontre de l'action dudit ressort, par le liquide de traitement injecté dans le train de tiges de forage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la diffusion entre les deux joints d'étanchéité toriques du liquide de traitement est contrôlée par une soupape différentielle d'injection logée dans le tube superieur de l'appareil. Dans une forme de réalisation préférée de l'appareil, la soupape différentielle d'injection est constituee par un piston annulaire coulissant, à l'encontre de l'action d'un ressort de rappel, sur une douille de guidage presentant un alésage axial permettant au liquide de traitement d'exercer au préalable une pression sur le piston differentiel expulsant dans les joints toriques d'étanchéité le liquide incompressible assurant leur application étanche sur la paroi rocheuse du puits de forage. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard du dessin annexé dont la figure unique represente, en coUpe schématique axiale, un appareil perfectionné pour l'injection d'un liquide de traitement dans une zone determinee de la paroi rocheuse d'un puits de forage. Comme on peut le voir sur le dessin, l'appareil est destiné à être amené, par le train de tiges de forage, à un niveau determiné de la roche 1 traversée par le forage L'appareil, qui comporte en soi un tube supérieur 2 et un tube inférieur 3 obturé quant à lui par un capuchon 4 pourvu diun bouchon 5, peut être raccorde, à l'extrémité inferieure du train de tiges non représenté, par un taraudage 6 pouvant être vissé sur la partie filetee correspondante de l'extrémité inferieure du train de tiges. Le tube supérieur 2 et le tube inférieur 3 sont raccordés entre eux par vissage à l'aide d'éléments filetés correspondants 7 permettant également l'interposition de bagues ou rallonges tubulaires intermediaires (non représentées) destinées à modifier la distance séparant l'un de l'autre les deux organes d'étanchéité dont il sera maintenant question et qui déterminent la distance sur laquelle la roche doit être soumise à llinjection d'un liquide de traitement Les organes d'étanchéité prévus, le premier sur le tube supérieur 2 et le second sur le tube inférieur 3, sont constitués chacun par un corps annulaire 8, respectivement 9, enfilé etroitement sur chacun des tubes 2 et 3 et maintenu par des colliers serrés à la périphérie desdits tubes par des vis 1Q et 11, d'une part, et 12 et 13, d'autre part. Les corps annulaires 8 et 9, qui servent au guidage de l'appareil lors de sa descente ou de sa remontée dans le puits de forage, comportent une gorge périphérique dans laquelle s'insère un joint d'étanchéité torique élastique creux, 14 ou 15, respec vivement. Les joints toriques d'étanchéité 14 et 15, qui sont gonflables pour s'appliquer de manière étanche contre la paroi du puits de forage, sont reliés entre eux par une canalisation 16 d'égaisation de pression. En ce qui concerne le joint torique inferieur 15, sa capacité interne est reliée, par un ajutage 17 traversant l'extré- mité inferieure du tube 3, avec une enceinte 18 délimitée par le capuchon inférieur 4, la partie inferieure du tube inférieur 3 et la cavite d'un piston interieur 19 coulissant dans un piston différentiel 20 maintenu contre un segment de butez 21 par un ressort de compression 22 prenant appui sur un segment 23 logé dans une gorge pratiquee dans la paroi du tube inférieur 3. Sur le segment 21 servant de butée au piston différen- tiel 20 repose une douille de guidage 24 servant au coulissement, à l'encontre de l'action d'un ressort 25, d'un piston annulaire 26 butant sur un segment annulaire 27 prevu à la partie superieure de la douille de guidage 24 pourvue, quant à elle, d'un alésage axial 28 mettant la surface supérieure du piston 20 en communication avec l'enceinte 29 de l'élément tubulaire supérieur 2 dans laquelle doit être injecté le liquide de traitement qui, lors du déplacement de la soupape différentielle constituée par la douille 24, le ressort 25 et le piston annulaire 26, est diffusé à travers des ajutages 30 mettant la cavité interne du tube 3 en communication avec l'espace cylindrique annulaire 31 ménagé dans le puits de forage entre les deux joints toriques d'étanchéité 14 et 15. A la partie supérieure de l'appareil, sensiblement au niveau du joint detancheite torique supérieur sont prévus, I'un au-dessus de l'autre, des segments 32 et 33 qui sont loges chacun dans une gorge pratiquée dans la paroi du tube superieur 2 et servant de butée lors du déplacement, dans un sens ou dans l'autre, d'une soupape d'égalisation; celle-ci est constituee par un piston ouvert 34 présentant à sa partie superieure un orifice debouchant dans un logement supérieur destine a recevoir une bille 35 de fermeture.Cette bille est envoyée dans le train de tiges pour faire descendre ledit piston qui, lorsqu'il-repose sur 7e segment inferieur de.butée 32, degage des orifices 36 servant à egaliser la pression dans le puits de forage et dans le train de tiges. La capacité 18 de l'appareil, qui est en communication avec T'espace intérieur des joints toriques 14 et 15,est remplie d'un liquide incompressible, par exemple d'huile. L'espace 37 compris entre les faces des pistons 19et 20 est par contre rempli avec de l'air qui est un fluide compressible, ce qui permet justement le déplacement réciproque des deux pistons 19 et 20. La quantite d'air occluse entre les pistons 19 et 20 peut être préalablement ajustée, en fonction des conditions de pression envisagées, par un réglage préalable (effectué sous la pression atmosphérique avant descente de l'appareil dans le forage) de la distance séparant les faces des pistons 19 et 20. Un bouchon de fermeture 38 amovible, permet à l'air de pénétrer dans lrespace 37 compris entre les faces des pistons ou de s'en échapper. En ce qui concerne les corps annulaires 8 et 9, qui servent à la fois au maintien des joints 14 et 15 et au guidage de l'appareil lors de son deplacement dans le puits de forage, ils sont avantageusement réalisés en une matière résistant a lrabrasion, par exemple en matière plastique dure et ils présentent une partie périphérique saillante 39 servant a la fois de butée de guidage et de protection pour le joint torique creux logé dans la gorge du -corps annulaire. Le fonctionnement de l'appareil est le suivant Après avoir assujetti le tube 2 par le taraudage 6 sur le filetage correspondant prévu a l'extrémité inférieure de la première tige du train de tiges, on engage ce dernier progressivement dans le puits de forage, jusqu'à avoir atteint le niveau désiré repéré au préalable, par exemple par carottage. Tout l'intérieur du train de tiges situé au-dessus du piston 20 est alors rempli d'air atmosphérique, tandis que l'eau de gisement ou la boue du puits de forage exerce une pression hydrostatique sur les joints toriques d'étanchéité 14 et 15 qui prennent alors tous la position illustrée en ligne de tirets en bas a gauche du dessin et provoquent l'enfoncement du piston 19 a l'intérieur du piston 20 en comprimant ainsi l'air occlus dans l'espace 37 ménagé entre les faces de ces deux pistons. De ce fait, lors de sa descente dans le puits, tout comme lors de sa remontée, l'appareil ne frotte sur la paroi du puits de forage que par les parties renflées 39, ce qui ménage la matière élastique des joints toriques d'étanchéité 14 et 15. Lorsque l'appareil est parvenu au niveau désiré, on introduit depuis le sol, dans le train de tiges, la quantité de liquide traitant nécessaire, en complétant le remplissage avec de 1 'eau qui est injectée en-surface sous pression. Cela provoque la descente du piston 20 qui tout en comprimant le ressort 22 prenant appui sur le segment 9, descend sur le piston 19 et refoule le liquide incompressible contenu dans la cavité 18 et une partie des joints toriques creux 14 et 15 et assure le gonflement total de ces derniers qui sont en communication par la conduite 16 égalisatrice de pression. En augmentant de volume, les joints toriques creux 14 et 15 prennent alors appui sur la paroi 1 du puits de forage, en isolant entre eux l'espace 31 sur l'étendue duquel doit avoir lieu la diffusion du liquide de traitement. Lorsqu'une différence de pression prédéterminée, par exemple de deux bars, s'établit entre l'espace 29 du tube supérieur 2 et l'espace annulaire 31, le piston annulaire 26 descend en comprimant le ressort 25 prenant appui sur la semelle de la douille de guidage 24 butant contre le segment 21. Dans ce déplacement, ce piston 26 découvre alors l'orifice 30 par lequel du liquide de traitement contenu dans la cavite 29 du tube 2, est injecté sous pression dans l'espace annulaire 31. Des orifices 30' permettent au piston 26 de se mouvoir librement. Le déplacement combiné des pistons 20 et 26 fait que le liquide de traitement ne peut, en fait, être injecte que lorsque les deux joints toriques d'étanchéité 14 et 15 sont étroitement appliqués contre la paroi du puits de forage. Lorsque l'opération d'injection est terminée et que, depuis la table de rotation, on a annulé la pression d'injection, si le niveau de l'eau de gisement ou de la boue dans le puits de forage est voisin du niveau du sol, les pressions dans l'espace annulaire 31 et dans l'espace 29 sont égales ; le ressort 22 repousse alors le piston 20 vers le haut jusqu'a sa butée formee par le segment 21 et les joints toriques d'étanchéité 14 et 15 se creusent a nouveau, comme indiqué en bas à gauche du dessin, ce qui libère l'appareil de la paroi du puits de forage et permet, soit de le remonter, soit de le faire descendre en un autre point de traitement. Si, par contre, le niveau dans le puits de forage est notablement au-dessous de la surface du sol, il n'y a pas d'égalité de pression entre les enceintes 29 et 31 et les joints toriques d'étanchéité 14 et 15 restent appliques sur la paroi du puits, bien qu'avec une pression plus faible. Si l1on veut descendre alors l'appareil pour procéder a un traitement à un niveau plus bas, il suffira d'injecter surface de l'air sous pression pour amener le niveau d'eau dans les tiges, au même point que le niveau dans le puits, ce qui sera notamment le cas lorsque la pression d'injection de l'air sera égale à la pression différentielle prédéterminée qui a éte, par exemple, ajustée a deux bars. Par contre, si l'on veut remonter l'appareil et éviter des injections d'air répétées, on fera tomber dans le train de tiges la bille 35 qui viendra se loger dans la cavité correspondante du piston ouvert 34 et permettra à celui-ci de descendre jusqu'à venir buter contre le segment 32, en libérant ainsi les orifices 36 mettant en communication l'intérieur du train de tiges avec la cavité du puits située au-dessus du joint torique dietancheite 14. On réalise ainsi une égalisation de pression assurant la remontée du piston 26 et également a décompression des joints toriques d'étanchéité 14 et 15 gui se-rétractent sur eux-memes et permettent la remontée de l'ensemble de l'appareil. Il va de soi que ce dernier n'a été decrit et représenté qu'à titre purement explicatif, nullement limitatif, et que diverses modifications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation indiquee, sans qu'on sorte pour autant du domaine de l'invention. C'est ainsi notamment que la bille 35 pourrait être remplacée par une vanne électro-magnétique ou électrique ou par un élément analogue. Par ailleurs, au lieu de déboucher dans le joint torique creux d'étanchéité 15, l'ajutage 17 pourrait être directement relié à la tubulure 16 d'égalisation de pression qui relie les deux joints 14 et -15. REVENDICATIONS 1. Appareil pour injecter un liquide de traitement en un point déterminé de la paroi d'un puits de forage, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un élément tubulaire borgne vissable à l'extrémité du train de tiges du derrick de forage, ledit élément tubulaire comportant deux organes annulaires d'étan chéite disposes a intervalle l'un de l'autre et ménageant entre eux, au niveau de la portion rocheuse à traiter, un compartiment étanche dans lequel un liquide de traitement peut être injecté depuis le train de tiges. 2. Appareil suivant la revendication 1, caracterise par le fait que les organes annulaires d'étanchéité sont constitués par deux corps annulaires enfilés sur un élément tubulaire raccordable à la tige inférieure du train de tiges et servent au maintien de deux joints toriques élastiques creux dans lesquels un fluide de pression peut être injecté pour assurer leur application étanche sur la paroi du puits de forage. 3. Appareil suivant les revendications 1 et 2, caractérise par le fait que le fluide de pression est constitué par un liquide incompressible, notamment-par de l'huile. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le fluide incompressible assurant l'expansion des éléments toriques élastiques d'étanchéité est délivré par un piston différentiel à double corps soumis a l'action d'un ressort de rappel et manoeuvrable, a l'encontre de l'action dudit ressort, par le liquide de traitement injecte dans le train de tiges de forage. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 a 4, caractérisé par le fait que l'élément tubulaire portant les joints toriques d'étanchéité est constitué par un tube supérieur et par un tube inferieur qui sont raccordés entre eux par vissage, à l'aide d'éléments filetés permettant également l'interposition de bagues ou rallonges tubulaires intermédiaires destinées à modifier la distance séparant 1.1 un de 1 'autre les deux organes d'étanchéité. 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les joints toriques d'étanchéité sont logés chacun dans un corps annulaire servant au guidage de l'appareil lors de son déplacement dans le puits de forage. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les joints toriques d'étan- chéité sont reliés entre eux par une canalisation d'égalisation de pression. 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'une soupape différentielle d'injection logée dans le tube supérieur de l'appareil contrôle la diffusion du liquide de traitement dans f'espaçe compris entre les deux joints toriques d'étanchéite et la paroi du puits de forage. 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que la soupape différentielle d'injection est constituée par un piston annulaire coulissant, à ltencontre de l'action d'un ressort de rappel, sur une douille de guidage présentant un alésage axial permettant au liquide de traitement d'exercer au préalable une pression sur le piston différentiel expulsant dans les Joints toriques d'etancheite le liquide incompressible assurant leur application étanche sur la paroi du puits de forage. 10. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les joints toriques d'étancheité sont en liaison par un ajutage avec une enceinte delimitée, dans la partie inférieure de 'élément tubulaire, entre un capuchon inférieur pourvu d'un bouchon de remplissage et la face du piston inférieur coulissant dans le piston différentiel maintenu contre un segment de butée par un ressort de compression prenant appui quant à lui sur un autre segment de butée logé dans une gorgepratiquée dans la paroi du tube inférieur de l'appareil. 11. Appareil suivant alune quelconque des revendications I à 10, caractérisé par le fait qu'à la partie supérieure de l'appareil sont prévus, l'un au-dessus de l'autre, deux segments qui sont logés chacun dans une gorge pratiquee dans la paroi du tube supérieur de l'appareil et servent de butée lors du déplace- ment dans un sens ou dans l'autre d'une soupape d'égalisation de pression. 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la soupape d'égalisation de pression est constituée par un piston ouvert présentant, à sa partie supérieure, un orifice débouchant dans un logement supé rieur destiné à recevoir une bille de fermeture envoyée dans le train de tiges en vue de faire descendre ledit piston qui, lorsqu'il repose sur le segment inferieur de butée, dégage des orifices servant à égaliser la pression régnant dans le puits de forage et dans le train de tiges en vue d'assurer la décompression des joints toriques d'étanchéité.