Brevet FR2546962A1 — publié le 19841207

Garniture d'étanchéité pour séparation de zones dans un puits de forage. La présente invention concerne une garniture d'étanchei- t, généralement appelée t'packer", pour la séparation de zones situées derrière le tubage dans un puits de forage. La garniture d'étanchéité qui comprend une colonne de tubage servant de mandrin pour la garniture, un élément d'étanchéité dilatable et des premier et second manchons fixes etcoitement sur les extrémités périphériques dudit élément d'étanchéité, le premier manchon étant appliqué de façon étanche et mobile par rapport à ce dernier et le second manchon étant lixé à la colonne de tubage, est bien connu de la technique antérieure et décrit par exemple dans le brevet US No 3 776 308 ou dans "Composite Catalog of Oilfield Equipment and Services", 34è révision 1980-81, volume 3, p. 4722-4723 ou dans le certificat d'auteur d'URSS No 327 316. Les garnitures dietancheite sont utilises pour stopper la communication entre zones situées derrière le tubage, clest-à-dire uans l'espace annulaire situé entré la colonne de tubage et le puits de forage et faciliter ainsi le remplissage de cet espace annulaire avec du ciment. Souvent le puits de forage relie des zones à pressions diferenl:es et/ou contenant des phases différentes telles yue de la boue, du liquide, du gaz, des roches, etc. Ainsi, les ouvrages de ciment: peuvent etre endommagés au cours de la perforation, de l'acidification et de la fracturation. Les garnitures d'étanchéité connues telles qu'elles sont déc Lites ci-dessus font partie intégrante de la colonne de tubage et sont prévues pour former un joint étanche positif entre la surface externe du tubage et le puits de forage à trou ouvert. L'élément d'étanchéité expansible peut être gonflé par de la boue, de l'eau, du gaz sous pression ou tout agent normalement disponible. L'agent de gonflage est retenu sous pression dans l'élément d'etanchEi- té au cours du cimentage alors que la pression à l'interieur de la colonne de tubage est éliminée. Pour obtenir ce résultant, on utilise une série compliquée de clapets et de vannes. Dans la garniture d'étanchéité connue d'après le catalogue cité précédemment, on prévoit deux doubles clapets de retenue d'étanchéité et une vanne d'arret. Ainsi, l'agent de gonflage pénètre dans l'élément d'étanchéité par une série de trois clapets ou vannes. Le premier type de diffi cultés liées aux solutions connues provient de l'utilisation de cet ensemble sophistiqué de clapets et de vannes et de la sensibilité au sablage ou au blocage de la garniture d' étanchéité. L'ensemble de clapets et de vannes est actionné, dans les solutions connues, par le bouchon de cimentation qui suit la colonne de ciment qui est enfoncée par ce bouchon dans l'espace annulaire situé entre la surface externe du tubage et le puits de forage à trou ouvert. Le bouchon, lorsqu'il descend, élimine une tige de rupture qui fait saillie du tubage sur le parcours de déplacement dudit bouchon et qui est reliée à la vanne d'arrêt. Le bouchon actionne alors la vanne d'arrêt et la pression qui est appliquée au tubage fait gonfler, par l'intermédiaire d'une série de clapets et vannes, I'élément d'étanchéité qui se trouve pressé contre la surface interne du puits-de forage. Ainsi, les espaces situés u-dessous et au-dessus de la garniture d'étanchéité sot sépares l'un de l'autre. Le mouvement ascendant du ciment dans l'espace annulaire se trouve également bloqué. Ceci signifie que la quantité deciment qui se troue dans l'espace annulaire au moment du retrait de la tige de rupture par le bouchon doit être suffisante pour réaliser tous les travaux de cimentation nécessaires. Pour résoudre ce problème, on a suggéré l'utilisation d'équipements retardateurs qui augmentent la complexité et la sensibilité aux dégats de l'ensemble de clapéts et vannes. Lorsque le bouchon parvient contre un siège prévu dans le tubage, la pression est retirée du tubage, la vanne d'arrêt se verrouille et les clapets de retenue se ferment,s' s'ils fonctionnent correctement. La pression dans l'élément d'etallchéité reste stable au moins pendant la durée de durcissement du ciment. Cependant, la difficulté la plus importante que l'on rencontre pour l'utilisation des garnitures d'étanchéité connues est le fait-que l'on ne peut utiliser qu'une unique garniture d'étanchéité dans un tubage. S'il y en avait deux, la première serait actionnée au moment du passage du bouchon et l'espace annulaire entre la surface externe du tubage et le puits de forage se bloquerait et on ne pourrait plus envoyer de ciment; le bouchon ne pourrait pas parvenir sur son siège danse fond du tubage et la seconde garniture ne pourrait pas être actionnée du tout. Le premier et principal but de l'invention est d'éliminer les inconvénients des solutions connues. Un autre but est de créer une garniture d'étanchéité dans laquelle l'ensemble des clapets et vannes soit moins compliqué et dont le fonctionnement soit ainsi plus fiable, sa fabrication moins coûteuse et qui permette d'utiliser plusieurs garnitures dans un tubage. L'idée de base de la présente invention est que l'ensemble des clapets et vannes doit être simplifié et commandé par la pression régnant dans le tubage plutôt que par le mouvement du bouchon de cimentation. Selon l'invention, un collier est fixé étroitement sur la colonne de tubage de manière à se trouver dans l'espace annulaire entre la surface externe du tubage et le puits de forage et on prévoit un bouchon annulaire en forme de manchon qui glisse df façon étanche contre la surface externe du tubage depuis une position de départ jusqu a une position inférieure, et ensuite vers une position finale. Le bouchon annulaire comprend une partie supérieure plus épaisse et une partie inférieure plus mince. La partie supérieure est disposée entre la surface externe du tubage et la surface interne du collier et elle est rendue étanche vis-à-vis de ces deux éléments. La partie inférieure est montée de façon coulissante au moins partiellement entre la surface externe du tubage et la surface interne de l'élé- ment d'étanchéité et elle est rendue étanche par rapport à ces deux éléments. Le premier manchon relié à l'élément d'étanchéité est rendu étanche vis-à-vis du bouchon annulaire et glisse contre lui. Pour constituer l'ensemble de clapets et vannes, on prévoit un clapet de non-retour dans le tubage entre la partie interne et la partie-externe du tubage au niveau de l'éîéinent d'étanchéité.En outre, on prévoit deux alésages, le premier, dans la partie inférieure du bouchon annulaire, qui relie le clapet de nonretour et l'espace entre l'élément d'étanchéité et le bouchon annulaire quand le bouchon annulaire est dans sa position inférieure, le second alésage étant réalisé dans la colonne de tubage au-dessus de la partie supérieure du bouchon annulaire.quand il est dans sa position de. départ. Le clapet de non-retour détermine un courant en direction du bouchon annulaire. Selon un mode de realisation préféré, le clapet de nonretour comprend un corps et une plaque perforée agissant en tant que filtre, le corps exerçant une poussée sur la piaque perforée et tantréalisé en un materiau élastique. Une tige de cisaillement peut entre prévue pour fixer le bouchon annulaire par rapport au tubage dans la position de, départ du bouchon annulaire. Selon un autre mode de réalisation, un dispositif de blocage peut être prévu dans la partie supérieure du bouchon annulaire et dans le collier pour fixer le bouchon annulaire dans sa position finale. D'autres détails de la présente invention sont décrits à l'aide d'un mode de réalisation préféré, en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure S est une vue en coupe schématique de la moitié de la garniture d'étanchéité de l'invention, en position de départ du bouchon annulaire, la figure 2 est une même vue en coupe qu'à la figure 1, mais dans la position inférieure du bouchon annulaire, la figure 3 est une même vue en coupe qu'à la figure 1, mais dans la position finale du bouchon annulaire. Sur la figure 1 est représentée en coupe une partie d'un puits de forage à trou ouvert dans lequel est disposée une colonne de tubage 1. La partie de la colonne de tubage 1 qui est représentée sur la figure sert de mandrin pour un dispositif ou garniture d'étancheite qui vient séparer les zones situées derrière la colonne de tubage 1 dans le puits de forage. Sur la colonne de tubage 1 est fixé étroitement un collier 2 qui forme un espace annulaire en forme de poche autour de la surface externe de la colonne de tubage 1. Sous le collier 2 et en partie dans l'espace en forme de poche est prévu un bouchon annulaire 3 qui est rendu étanche vis-à-vis de la surface externe de la colonne de tubage 1 et glisse contre celle-ci. Le bouchon annulaire 3 comprend une partie supérieure plus épaisse 3a et une partie inférieure plus mince 3b, deun seul tenant.Ainsi, la partie supérieure 3a comprend une surface terminale supérieure A qui est plus imortante qu'une surface C prévue au niveau du gradin constitué entre la partie supérieure 3a et la partie inférieure 3b. La partie inférieure 3b comprend également une surface tenninale B qui est plus petite que la surface C. Les surfaces respectives A, B et C servent de surfaces de travail du bouchon annulaire 3. Comme indiquez ci-dessus, la partie supérieure 3a est montée de faon coulissatlte au moins partiellement dans l'espace annulaire situé entre la colonne de tubage 1 et le collier 2 et elle est rendue étanche au moyen de joints 12 vis-à-vis de ces deux éléments. La partie inférieure 3b coulisse également contre la colonne de tubage 1 et elle est rendue étanche vis-à-vis de celle-ci au moyen des joints 14. Autour de la colonne de tubage 1 est disposé un élément d'étanchéité 6 expansible, aux extrémités duquel sont étroitement fixés un premier manchon 7 et un second manchon 8. L'élément d'étanchéité 6 peut être réalisé en un maté riau approprié ayant une résistance, une élasticité expan- sîbilité) et une caacité d'étanchéité correcte sur sa surface externe. Le matériau peut être un type de caoutchouc renforcé par exemple avec des cordons d'acier. Dans le caoutchouc, peut être vulcanisé une nervure d'acier entant que renfort. Mais l'on peut également remplacer le caoutchouc par une matière plastique appropriée. Les manchons 7 et 8 sont vulcanisés ou collés étroitement de toute autre manière contre l'élément d'étanchéité. Le premier manchon 7 glisse contre la surface externe de la partie inférieure 3b du manchon annulaire 3 vis-à-vis de laquelle il est rendu étanche par la garniture 15. Le second manchon 8 est fixé fermement sur la surface externe de la colonne de tubage 1. Dans la colonne de tubage 1 est prévu un clapet de nonretour 9 qui relie l'intérieur et l'extérieur de la colonne de tubage 1 sensiblement au centre de l'élémentd'étanchéi- té 6 sur la figure 1. Le clapet de non-retour 9 comprend un alésage de clapet conique et un corps de clapet 10 à l'inte- rieur de l'alésage, de même qu'une plaque perforée 11 en alignement avec la surface externe de la colonne de tubage 1. Le corps 10 du clapet est réalisé en un matériau élastique et il applique une pression sur la plaque perforée 11 qui de son côté sert de filtre. Le corps 10 du clapet est adapté par sa surface de fermeture à la forme de l'alésage conique du clapet de non-retour 9. Ainsi, il detennine un parcours pour le courant qui est dirigé vers le bouchon annulaire 3. Dans le bouchon annulaire 3 est réalisé un alésage 13 qui, dans la position de départ représentée à la figure 1, est situé au-dessus du clapet de non-retour 9, et de préférence, au-dessus de la garniture d'étanchéité 14. En outre, dans la colonne de tubage 1 est réalisé un autre alésage 17 au-dessus de la surface terminale supérieure A du bouchon annulaire 3, quand il est-dans saposition de départ telle qu'elle est représentée à la figure 1. I1 relie l'intérieur de la colonne de tubage 1 et espace en forme de poche situé au-dessus de la surface A du collier 2. Le bouchon annulaire 3 est maintenu dans sa position de départ par rapport à la colonne de tubage 1 par une tige de cisaillement 5. La figure 1 represente également un dispositif de blocage 4 prévu dans le bouchon annulaire 3 et comportant une fente annulaire 4a dans la surface interne du collier 2, dont la fonction sera expliquée plus loin. Pour établir une connexion étanche entre la colonne de tubage 1 et le collier 2, on prévoit un joint d'étanchéité 16 entre ces élements. Pour décrire le fonctionnement du dispositif ou garniture d'étanchéité de la présente invention, référence est faite aux figures 2 et 3 également. Quand on cimente ltes- pace situé entre la surface externe de la colonne de tubage 1 et le trou de forage, on force du ciment en direction montante dans cet espace au moyen d'un bouchon de cimentation (non représenté) qui descend à l'intérieur de la colonne de tubage 1 et qui est rendu étanche par rapport à la surface interne de cette derniere. Pour faire descendre le bouchon de cimentation, on applique de la pression dans la colonne de tubage 1 au-dessus du bouchon. Lorsque le bouchon de cimentation parvient à un siège situé au fond de la colonne de tubage 1 et lorsque la totalité du ciment a été force hors de la colonne de tubage 1 et dans l'espace à cimenter, la pression monte à l'intérieur de la colonne de tubage. Cette pression est constamment transmise par l'intermédiaire de l'alésage 17 sur la figure 1 à l'espace situé au-dessus du bouchon annulaire 3 et elle applique une force dirigée vers le bas sur la surface terminale A. Sur la surface plus petite C, la pression plus faible exercée par le ciment engendre une force beaucoup plus faible dirigée vers le haut. Au niveau de la surface terminale B, il n'y a aucune pression.Lorsque la pression régnant à l'intérieur de la colonne de tubage 1 et de ce fait la force dirigee vers le bas et appliquée à la surface A est suffisante, la tige 5-est cisaillée et le bouchon annulaire 3 commence à descendre. Lors de ce mouvement, il glisse sur la surface externe de la colonne de tubage 1 et sur la surface interne du collier 2, et le premier manchon 7 glisse sur sa surface externe. Finalement, le bouchon annulaire 3 atteint la position inférieure où l'alésage 13 est en alignement avec l'alésage du clapet de non-retour 9. La figure 2 représente la position inférieure atteinte par le bouchon annulaire 3 pendant le processus de mise en place du packer, c'est-à-dire le gonflage de l'élément dlétanchéité 6. La pression régnant à l'intérieur de la colonne de tubage l fait ouvrir le clapet de non-retour 9 en déformant le corps 10 de ce clapet. Ensuite-, l'agent de pression, c'est-à-dire le fluide se trouvant à l'intérieur de la colonne de tubage 1, pénètre dans l'espace situé entre le bouchon annulaire 3 et l'élément d'étanchéité 6 en passant par le clapet de non-retour 9 qui est ouvert et en outre par l'alésage 13. Comme le montre clairement la figure, la surface elastique externe de l'élémentd'étanchéité 6 vient se presser fermement contre la surface du puits de forage. Lorsque l'opération de mise en place de la garniture d'étanchéité est arrivée à sa fin, on élimine la pression régnant à l'intérieur de la colonne de tubage. Ainsi, la pression dans l'espace situé entre le bouchon annulaire 3 et l'élémentd'étanchéité 6 devient plus importante qu'a l'intérieur de la colonne de tubage 1 et, en passant par l'alésage 13, ferme immédiatement le clapet de non-retour 9 et exerce dans le même temps une force dirigée vers le haut sur la surface terminale B Le résultat est que le bouchon annulaire 3 se déplace vers le haut et que l'alésage 13 s'éloigne du clapet de non-retour 9 de même que des joints 14. A la fin de ce mouvement la surface terminale A vient heurter le collier 2 et le dispositif de blocage 4 s'enclen- che brusquement dans la fente annulaire 4a. Ceci est la position finale du bouchon annulaire 3 qui est représentée à la figure 3. La pression régnant à l'interieur de l'élément d'étanchéité 6 ne peut pas s'échapper du fait que la seule sortie par l'alésage 13 et le clapet 9 est bloquée dewç fois: par les joints 14 et par le clapet de non-retour 9 On peut alors effectuer tous les travaux dans la colonne de tubage 1, et la garniture d'étanchéité ne cesse pas de remplir sa fonction, du moins pendant la période de durcissement du ciment. On peut donc voir clairement que la garniture deetan chéité selon la présente invention est beaucoup plus simple et fable que celles connues jusqu 'ici. REVENDICATIONS 1. Garniture d'étanchéité pour la séparation de zones situées derrière le tubage d'un puits de forage, comprenant une colonne de tubage servant de mandrin pour la garniture d'etanchéité, unélément d'étanchéité dilatable, des premier et second manchons fixés étroitement aux extrémités de l'élément d'étanchéité, le premier manchon étant appliqué de façon étanche sur la colonne de tubage sur laquelle il peut se déplacer, le second manchon étant fixé à ladite colonne de tubage, caractérisée en ce qu ' un collier (2) est fixé de façon étroite à la colonne de tubage (1) , en ce qu'un bouchon annulaire (3) est monte de façon étanche sur la colonne de tubage (1) contre laquelle il peut glisser depuis une position de départ vers une position inférieure et ensuite vers une position finale, ce bouchon (3) comprenant une partie supérieure plus épaisse (3a.) et une partie inférieure plus mince (3b) d'un seul tenant, la partie superi- eure (3a) étant montée pour coulisser au moins partiellement entre la -colonne de tubage (1) et le collier (2) et étant rendue étanche vis-à-vis de ces deux éléments, la partie inférieure (3b) étant montée de façon à coulisser au moins partiellement entre la colonne de tubage (1) et l'élément d'étanchéité (6) et étant rendue étanche vis-à-vis de ces deux éléments, en ce que le premier manchon est rendu étanche par rapport au bouchon annulaire (3) et peut glisser contre lui, en ce qu'un clapet de non-retour (9) est monté dans la colonne de tubage (1) et relie l'intérieur de cette colonne de tubage (1) et l'espace situé entre la colonne de tubage (1) et le bouchon annulaire (3), en ce qu'un alesage (13) est formé dans la partie inférieure (3b) du bouchon annulaire (3) et relie l'ouverture du clapet de non-retour (9) et l'espace situé entre l'élément d'étanchéité (6) et le bouchon annulaire (3) quand il est dans sa position inférieure, et en ce qu'un alésage (17) est formé dans la colonne de tubage (1) au-dessus de la partie supérieure (3a) du bouchon annulaire (3) quand il est sans sa position de départ. 2. Garniture d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le clapet de non-retour (9) détermine un parcours pour le courant qui est dirigé vers le bouchon annulaire (3). 3. Garniture d'étanchéité selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le clapet de non-retour (9) comprend un corps (10) et une plaque perforée (11) agissant en tant que filtre, le corps (10) du clapet exerçant une poussée sur la plaque perforée (9) et étant réalisé en un matériau déformable. 4. Garniture d'étanchéité selon lune quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une tige de cisaillement (5) fixe le bouchon annulaire (3) par rapport à la colonne de tubage (1) dans sa position de départ. 5. Garniture d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications I à 4! caractérisée en ce qu'un dispositif de blocage (4) est prévu dans la partie supérieure (3a) du bouchon annulaire (3) et dans le collier (2) pour fixer le bouchon annulaire (3) dans sa position finale.