Brevet FR2519687A1 — publié le 19830718

"Dispositif réinsérable et étanche d'accrochage de filtre de sonde et d'élément de tubage." La présente invention a pour objet un dispositif réinsé rable et étanche d'accrochage de filtre de sonde et d'élément de tubage pour la suspension étanchéifiée et amovible de co lonnes de descente de filtres de sonde et d'éléments de tuba ge dans la colonne de descente précédente lors de l'achèvement à grande profondeur de sondes d'extraction d'hydrocarbures ou d'eau ou de sondes d'accumulateurs de gaz souterrains.Le dispositif établi à cet effet est réalisé de façon à assurer dans le carter de suspension, vissé ou inséré préalablement à l'in térieur de la colonne de descente de tubage précédente, par mi se en place et déplacement en direction verticale avec verrouil lage variable, le maintien et l'étanchéité, puis à maintenir l'accrochage et l'étanchéité par une fermeture doublement di visée libérable. Lors du fonctionnement de sondes à grande profondeur pour l'extraction de pétrole, gaz naturel et eau, il se trouve que, si l'on extrait le contenu de couches géologiques meubles par exemple de couches de sable, la roche désagrégée, notamment le sable, s'écoule aussi avec le courant de liquide ou de gaz vers la sonde et la surface du sol en provoquant ainsi des avaries de l'équipement de la sonde et du système fonctionnant en surface, l'afflux à grande vitesse du sable quartzeux con duit à une rapide usure des tubes et autres équipements. On constate souvent aussi une obturation dè la sonde par des bouchons de sable. Ces divers phénomènes entrainent de graves perturbations de la production et de grands frais suEpléentaires. La méthode la plus efficace pour prévenir la pénétration de sable dans les sondes pour des réalisations de couches ouvertes augmentant la production consiste à revêtir intérieurement, face à la couche d'extraction, la sonde de filtres insérés depuis la surface du sol, cela généralement en revê tant le tube, préalablement perforé, d'une toile à tamis ou d'un treillis faits de matière plastique ou de cuivre. On r.e prolonge pas ces filtres d'insertion avec tubage dans la sonde jusqu'à la surface du sol, mais on les accroche dans la colonne de descente de tubage précédente, près de l'extrémité inférieure de celle-ci, et l'on retire la colonne d'insertion. Jusqu'à présent, on se contentait souvent de poser le filtre de sonde sur la semelle de la sonde ou sur le dessus du bouchon de ciment.Cette méthode primitive causait cependant des dommages aux filtres et posait de nombreux problèmes techniques. C'est pourquoi la réalisation avec manille de suspension est dès aujourd'hui généralement usitée. Les exigences les plus importantes posées aux dispositifs d'accrochage de filtres de sonde sont celles d'un fonctionnement sûr, même à une grande profondeur sous la surface du sol, d'une fixation antidérapante face à de grandes forces exercées dans les deux sens, d'me parfaite étanchéité, même contre de fortes pressions, de la partie supérieure de l'espace annulaire compris entre le filtre de sonde et la colonne de descente précédente, d'une part, et, d'autre part, le forage de diamètre aussi grand que possible ainsi que de la réinsérabilité. Il faut insister particulièrement sur la dernière de ces exigences, car les filtres de sonde sont fréquemment endommagés, par érosion, effondrement, etc., rendant ainsi nécessaires leur extraction et leur remplacement par un neuf, c'est-à-dire un nouvel accrochage.Dans le fonctionnement des dispositifs d'accrochage, il importe au plus haut point que les filtres de sonde ne soient soumis à aucune charge hydraulique ou mécanique au cours de leur insertion. En exploitation minière des hydrocarbures et de l'eau, il arrive souvent, pour des raisons techniques et économiques, que dans l'établissement des sondes, tout comme pour les filtres de sonde ci-dessus décrits, les colonnes de descente de tubage qui revetent intérieurement la sonde ne soient pas suspendues en partant du haut, c'est-à-dire dans la tete de la sonde, mais soient disposées télescopiquement de façon à être suspendues sous aussi bonne étanchéité que possible, avec un court chevauchement, dans la colonne précédente. Après achèvement de l'opération d'accrochage, on retire le tube d'insertion tout comme dans l'accrochage des filtres de sonde. A cet effet, on décharge, au moyen du dispositif approprié spécialement inséré au-dessus du dispositif d'accrochage et par abaissement du tube d'insertion, le filetage à gauche aisément desserrable de ce dernier, puis on dévisse la colonne de descente du tube d'insertion. Les dispositifs d'accrochage utilisés pour des éléments de tubage sont soumis aux mêmes exigences que ceux pour filtres de sonde. L'exigence de la réinsérabilité ne résulte simplement pas des fonctions primaires, car les colonnes de descente de tubage sont généralement cimentées dans le trou de sonde : elle tient au fait que l'on doit souvent procéder à une réinsertion immédiate de la colonne de suspension ou de descente de tubage par suite des difficultés de couche ou de technologie ainsi que des dommages au trou de sonde ou de défauts des appareils. Etant donné que les dispositifs d'accrochage d'élément de tubage réalisés selon les formules connues ne satisfont pas aux exigences précitées, on utilise le plus souvent pour l'accrochage de filtres de sonde, les joints d'étanchéité, dits garnitures étanches, usuels des tubes d'extraction moyennant des changements plus ou moins importants, et notamment l'emploi d'équipements supplémentaires. Il faut forcément prendre en considération l'effet de rétrécissement de profil de ces dispositifs. On recourt souvent aussi à des joints dits permanents et barrages de ciment pour l'accrochage des filtres de sonde. Le principal défaut des joints et barrages de ciment ainsi que dispositifs d'accrochage d'élément de tubage ou, plus brièvement, éléments d'accrochage utilisés jusqu'à présent pour les filtres de sonde et éléments de tubage réside dans le fait qu'ils produisent l'accrochage, c'est-à-dire la fixation à la paroi intérieure de l'élément de tubage, par la compression dans celle-ci de la denture de coins, ou patins, qui se déplacent sur des chemins tronconiques. Les dispositifs d'accrochage renferment toujours, en plus de ces coins, quelque genre de ressorts en tant qu'élément principal. Ces ressorts ont pour role de déplacer lesdits coins ou de les maintenir en leur nouvelle position ainsi que d'opérer le centrage. De l'utilisation de ces deux éléments principaux résulte le défaut général des dispositifs d'accrochage de tubes fonction nant au moyen de coins, à savoir que l'actionnement du système des coins lors de l'accrochage et la réalisation d'un assemblage antidérapant avec la paroi du tube s'obtient par l'opération combinée, premièrement d'un mouvement mécanique ou hydraulique de direction verticale accompagné d'un mouvement hélicoldal, deuxièmement d'un mouvement de ressort. Le fonctionnement incertain des coins est aussi le fait de la dureté et de l'ovalisation variables de la paroi du tubage ainsi que de la problématique du traitement thermique desdits coins. La conséquence de tout cela est le fonctionnement incertain des dispositifs et la fixation insuffisante, ainsi que la rupture, de coins et ressorts.L'accrochage est souvent mis en échec ou obtenu à une profondeur différente de celle que l'on recherche. Il se produit en outre des accidents techniques graves que l'on ne peut éliminer que par des opérations de repechage couteuses. I1 peut en outre survenir un dérapage du dispositif d'accrochage lors de l'extraction. Un autre défaut du dispositif d'accrochage connu réside dans le fait que les parois des éléments de tubage sur lesquelles se réalise l'étanchéité présentent des irrégularités de surface, rugosités-et ovalisatio qui proviennent du laminage. Il arrive aussi que le joint d'étanchéité vienne se placer juste entre les deux extrémités des tubes vissés, c'est-à--dire dans le manchon. Ces raisons font que l'on n'ob- tient souvent aucune étanchéité ou qu'une étanchéité insuffisante. Autre défaut encore : meme dans les dispositifs dits "libérables", la réinsérabilité à un moment ultérieur n'est réalisable qu'avec une faible probabilité parce que les mécanismes d'actionnement nécessitent toujours, pour le desserrage, une rotation, ou torsion, provoquée à partir de la surface du sol au prix d'une force rendue très variable et importante par les actions polluantes et corrosives prédominant en profondeur dans l'exploitation permanente ainsi que par les conditions de température. Le problème s'aggrave encore du fait que, dans le cas d'un coincement bien réussi. le dispositif est exposé, pendant le regime d'extraction, à des effets de forces par lesquels les coins pénètrent encore plus fortement dans la paroi du tube, ce qui augmente encore la force nécessaire à leur déblocage.En même temps la longueur, en règle générale de plusieurs milliers de mètres, et le faible diamètre,ainsi que l'élasticité, des colonnes de descente de tubage limitent fortement la transmission en profondeur du couple de rotation exercé à la surface du sol. La conséquence de cette non-réinsérabilité est que, dans la plupart des cas, on ne peut réaliser les fréquents changements de filtre nécessaires qu'en éliminant dans la sonde par fraisage les joints d'étanchéité ou manilles d'accrochage. Or, les joints dits d'opération sont réalisés en métal précieux et ne sont par conséquent que très difficilement perçables ou fraisables. Aussi utilise-t-on souvent des joints et bouchons de ciment permanents, ces moyens étant relativement plus aisément "perçables". S'agissant de sondes à grande profondeur, les défauts précités provoquent de graves troubles de production et accidents techniques ou opérations de repechage liés à des frais considérables. I1 faut ajouter que, par suite de leur complexité et du coût de leurs matériaux constitutif s, les dispositifs connus ne sont réalisables ou approvisionnables qu'à grands frais. L'invention a pour objet un dispositif réinsérable et étanche standardisé pour l'accrochage de colonnes de descente de filtre de sonde et d'élément de tubage selon mêmes tâches et exigences qui supprime l'accrochage par des coins denté et les ressorts servant à bloquer, déplacer ou centrer les coins ainsi que l'étanchement sur la paroi intérieure non usinée et ovale de l'élément de tubage et enfin le rétrécissement du profil intérieur.Un autre but consiste à utiliser des éléments de construction de machines et à organiser les réalisations ou assemblages de ces éléments de construction, en sorte que leur mécanisme d'actionnement, en soi ou en re- lation avec d'autres éléments de construction, ne nécessite pas de rotation à partir de la surface du sol ni de transmission de couple de rotation ni de commande hydraulique, mais soit exclusivement tributaire d'un mouvement en direction verticale, car l'industrie du forage à grande profondeur dispose de moyens dont la résistance à la traction est élevée ainsi que d'importantes forces mécaniques, si bien que, sauf cas triés exceptionnels, les moyens de déplacement et actionnement en direction verticale ainsi que les forces correspondantes y sont tout prêts. Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte un carter de suspension inséré dans la colonne de descente d'élément de tubage, insérée elle-même préalablement dans la sonde de forage profond, une douille de butée renfermant dans une cavité radiale un élément de blocage constitué avantageusement par une bille d'acier, un corps central, un mécanisme élastique doublement divisé pour le verrouillage dudit corps central, une goupille cisaillable et des éléments d'étanchéité. Selon d'autres particularités avantageuses possibles de l'invention : un épaulement porteur, une rainure de verrouillage à flancs tronconiques et une surface d'étanchéité sont ménagés sur la surface intérieure du carter d'accrochage; pour pousser radialement l'élément de blocage à sa position de verrouillage ou de déverrouillage, il existe sur la surface extérieure du corps central une rainure à flancs tronconiques, et une surface extérieure de diamètre changeant; -le mécanisme élastique doublement divisé servant au verrouillage secondaire se compose de segments partagés radialement qui sont aussi partagés axialement en une pièce d'insertion dentée et une pièce d'insertion verrouillante reliées entre elles par une goupille cisaillable; les surfaces en prise mutuelle du corps central et du mécanisme élastique de verrouillage doublement divisé comportent des dentures de même profil qui'entrent en prise mutuelle dans une direction et qui, dans l'autre direction, présentent un profil tronconique et sont déplaçables en glissement l'une sur l'autre. La solution selon l'invention réside dans le fait que, lors de l'insertion du filtre de sonde ou de l'élément de tubage, l'unité d'accrochage en cours d'insertion vient s'appuyer, et la colonne de descente d'élément de tubage accouplée à l'extremité inférieure se suspendre, sur l'épaulement intérieur du carter de suspension, montré, ou inséré, préalablement, à une profondeur déterminée dans la colonne de descente de tubage précédente.La fixation s'opposant à un mouvement vers le haut et libérable après coup est établie en sorte qu'elle comporte un élément de verrouillage amenable en position active ou non par un déplacement du corps du dispositif ayant lieu exclusivement en direction verticale et que les éléments de construction joints, àssemblables entre eux, c'est-à-dire le corps, l'organe de butée, le carter de suspension, disposent d'évidements, tels que rainures et fenêtres, et de profils transversaux appropriés afin que puissent se réaliser le mouvement en direction radiale de l'élément de blocage ou son maintien en position libérée ou verrouillée.Pour maintenir le corps à l'encontre d'un mouvement dirigé vers le haut par rapport à la douille de butée et assurer en meme temps la position de verrouillage de l'élément de blocage, on a mis au point un mécanisme de verrouillage élastique doublement divisé, radialement et axialement, et désenclenchable à n'importe quel moment après l'opération d'insertion. L'étanchéité de l'espace annulaire est assurée par des joints connus en soi montés entre les éléments de construction de façon à fonctionner constamment entre des surfaces d'étanchéité usinées à cet effet préalablement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 représente, partie en élévation, partie en coupe, un dispositif d'accrochage étanche selon ladite invention en position de montage - la figure 2 représente à une échelle agrandie le mécanisme de verrouillage élastique doublement divisé. Le corps 4 porte à son extrémité, pour son assemblage à la colonne de descente de filtre de sonde ou d'élément de tubage qu'il s'agit d'accrocher, un filetage normal et, audessus de celui-ci, sur la surface "c" une denture, avantageusement à encoches, réalisée tronconique dans une direction et engrenant par contre dans l'autre avec la denture de meme profil du mécanisme de verrouillage élastique à double division , encore plus haut, on trouve sur la surface extérieure du corps une rainure à flancs tronconiques destinée à accueillir en partie, et aussi à déplacer en direction radiale, l'élément de blocage 5, constitué avantageusement par une bille d'acier; au-dessus de cette encoche se poursuit la surface cylindrique de plus grand diamètre du corps 4, laquelle soutient ledit élément de blocage 5 en sa position verrouillée; vient ensuite sur cette même surface l'épaulement de butée qui maintient en sa position de base la douille de butée 2 fixée extérieurement au corps ou la tire verts le haut lors de la séparation, ces deux parties étant cependant fixées l'une à l'autre dans la position de base de montage par la goupille cisaillable de sécurité 3; le corps 4 comporte encore près de son extrémité supérieure un épaulement de butée "b" pour l'application contre l'emplacement de butée, c'est-à-dire pour l'accrochage de la colonne de descente de filtre de sonde ou d'élément de forage suivante et, enfin, tout en haut, le filetage aisément dégageable ou un autre élément normal à actionnement rapide pour le raccordement du tube d'insertion. La surface intérieure de la douille de butée 2 comporte un épaulement de butée "a" et, en bas, pour le logement du méca nisme de verrouillage élastique 6 doublement divisé une cavité intérieure et une surface de butée; on trouve en outre, en percée radiale, une fenêtre, ou avantageusement un alésage, pour l'élément de blocage 5 ainsi qu'un alésage pour la gou pflle cisaillable de sécurité 3 maintenant la position; sur la surface extérieure est en outre ménagé pour reposer ou etre suspendu dans le carter de suspension 1 l'épaulement de butée en nervure "d". Un joint d'étanchéité 7 est placé, à l'exté- rieur de la douille de butée 2, sur la surface établie en conséquence de celle-ci. Un autre joint 8 connu en soi est inséré entre le corps 4 et la douille de butée 2. Le carter de suspension 1 présente sur sa surface intérieure une surface d'étanchéité usinée à propos face au joint et un épaulement porteur "d" ainsi qu'une rainure à flancs tronconiques servant à loger partiellement I'lément de verrouillage 5 et enfin, en haut et en bas, un filetage normal pour raccordement aux éléments de tubage. Le dispositif de verrouillage élastique 6 à double division est partagé radialement de façon classique en des segments qui sont maintenus assemblés par le ressort de traction 6d, mais sont subdivisés à leur tour axialement en une pièce d'insertion dentée 6a et une butée de verrouillage 6b, lesquelles sont reliées par une goupille cisaillable 6c connue en soi. Les éléments de construction 2 à 8 forment en commun l'unité d'accrochage du dispositif. A. Processus d'accrochaqe On visse le carter de supension 1 du dispositif dans la colonne de descente d'élément de tubage précédente, laquelle reste dans la sonde en tant qu'accessoire de la colonne après le tubage. A l'unité d'accrochage on relie, en bas la colonne de descente de filtre de sonde ou d'élément de tubage à suspendre, en haut le tube d'insertion. Lors de l'insertion de l'unité d'accrochage dans la sonde, la douille de butée 2 vient heurter par son épaulement "d" l'épaulement correspondant du carter de suspension 1. Une valeur déterminée du poids de la colonne de descente de tube d'insertion vient peser sur le dispositif mis en butée.Sous l'effet de cette charge, la goupille cisaillable de sécurité 3 casse et le fonctionnement du dispositif se déclenche en ce sens que le corps central 4 se déplace vers le bas jusqu'à ce que son épaulement "b" s'applique sur la douille de butée 2 et qu'en même temps sa rainure déplace par son flanc tronconique radialement vers l'ex- térieur l'élément de blocage 5, qui s'enclenche alors dans la rainure du carter de suspension 1, ce qui établit le blocage du mouvement de la douille de butée 2 vers le haut. Pendant le mouvement de descente du corps 4 se produisent par l'effet du mécanisme de verrouillage élastique à double division en sa nouvelle position la fixation à la douille de butée 2 contre un mouvement vers le haut et en même temps aussi l'immobilisation à la position de verrouillage des éléments de blocage primaires.Pendant le processus décrit ci-dessus, le joint d'étanchéité pénètre dans le carter de suspension 1, où, en fonction du type de joint choisi de façon propice aux tâches proposées, la fermeture a lieu ensuite soit par étanchéité propre soit par assemblage sous compression à la surface "b" du corps 4. Le joint d'étanchéité 8 remplit cette tâche entre le corps 4 et le carter de suspension 1. Après ce processus d'accrochage, on sépare du dispositif le tube d'insertion. B. Processus de réinsertion Après affalement dans la sonde, on assemble la colonne de descente de tube de réinsertion au dispositif d'accrochage et, par suite de la force de traction, la goupille cisaillable 6c vient à casser et le corps 4 entraine par la denture de sa surface "c" la denture de la pièce d'insertion 6a, la butée dé verrouillage 6b restant en même temps en arrière dans la cavité intérieure de la douille de butée 2.Pendant le mouvement de montée du corps 4, la rainure à flancs tronconiques de la surface extérieure de celui-ci prend position en face de l'élément de blocage 5 puis entraine par son épaulement de butée "a" la douille de butée 2, qui transmet la force de traction à l'élément de blocage 5, si bien que le flanc tronconique supérieur de la rainure de verrouillage du carter de suspension 1 déplace l'élément de blocage 5 vers l'intérieur. La fixation de l'unité d'accrochage au carter 1, c'està-dire à la colonne de descente d'élément de tubage précédente, se trouve de la sorte supprimée et l'on peut sortir de la sonde vers le haut le dispositif conjointement avec la colonne de descente de filtre de sonde ou d'élément de tubage reliée à sa partie inférieure. Après extraction de l'unité d'accrochage, il convient de démonter celle-ci et de procéder à un échange des éléments d'étanchéité et goupilles cisaillables; après quoi, on peut réutiliser le dispositif assemblé à nouveau. De ce qui précède, il ressort que la configuration des éléments de construction du dispositif selon l'invention et leur assemblage mutuel sont établis en sorte que son fonctionnement commence avec sa mise en place dans le carter de suspension et ne dépende pas de différentes actions composites de force5Le dispositif accomplit toutes les autres fonctions sous la contrainte, la plus favorable quant à la rigidité, d'une force transmise, ou agissant, en direction verticale. On peut réaliser facilement et sans suites désavantageuses cet actionnement dans les conditions du forage à grande profondeur. Les emplacements d'étanchéité sont à l'avance déterminés et préparés en conséquence. Les éléments de fixation n'endommagent pas le tubage, car les surfaces servant à cette fixation sont déterminées à l'avance et préparées techniquement pour cette technologie particulière. Les sondes d'extraction d'hydrocarbures ou d'eau, notamment les sondes d'extraction d'accumulateurs de gaz souterrains, ayant tendance à l'absorption de sable peuvent être aménagées pour la technologie la plus favorable à liaide du dispositif, car les couches ne sont exposées à aucune surcharge et les réparations peuvent être effectuées par échange. Le grand alésage intérieur permet d'utiliser les moyens de filtration et de lutte contre la pénétration de sable appropriés à l'aménagement de sondes dans des couches ouvertes les plus favorables quant à l'accroissement de l'extraction sans qu'il intervienne non plus de rétrécissement dans le profil des tubes d'extraction. A l'aide du dispositif, on peut introduire dans un plus large cercle la méthode économique du tubage par accrochage et de ce fait la possibilité d'une finition moins coûteuse des sondes. La possibilité de renoncer à la commande des moyens coûteux en provenance des pays de l'Ouest grace à la mise en oeuvre de ce dispositif de prix raisonnable, réalisable aussi dans le pays même, revêt une importance particulière. REVENDICATIONS 1.- Dispositif réinsérable et étanche d'accrochage de filtre sonde et d'élément de tubage caractérisé par le fait qu'il comporte un carter de suspension (1) inséré dans la colonne de descente d'élément de tubage, insérée elle-même préalablement dans la sonde de forage profond, une douille de butée (2) renfermant dans une cavité radiale un élément de blocage (5) constitué avantageusement par une bille d'acier, un corps central (4), un mécanisme élastique (6) doublement divisé pour le verrouillage dudit corps central, une goupille cisaillable (3) et des éléments d'étanchéité (7, 8). 2.- Dispositif selon la revendication 1. caractérisé par le fait que le carter de suspension (1) comporte sur sa surface intérieure un épaulement porteur et une rainure de verrouillage réalise avec des flancs tronconiques ainsi qu'une sur face d'étanchéité. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que, pour pousser radialement l'élément de blocage (5) à sa position de verrouillage ou de déverrouillage, il existe sur la surface extérieure du corps central (4) une rainure à flancs tronconiques et une surface extérieure de diamètre changeant. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que le mécanisme élastique (6) à double division servant au verrouillage secondaire se compose de segments partagés radialement qui sont aussi partagés axialement en une pièce d'insertion dentée (6a) et une pièce d'insertion verrouillante (6b) reliées entre elles par une goupille cisaillable (6c). 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que les surfaces en prise mutuelle du corps central (4) et du mécanisme élastique de verrouillage doublement divisé (6) comportent des dentures de même profil qui entrent en prise mutuelle dans une direction et qui, dans l'autre direction, présentent un profil tronconique et sont déplaçables en glissement l'une sur l'autre.