Brevet FR2625254A1 — publié le 19890630

L'invention concerne un outil d'obturation, ou packer ou bouchon, gonflable, perfectionné, à utiliser dans des puits souterrains. Des packers gonflables (ou bouchons) sont utilisés depuis longtemps dans des puits souterrains. Ces outils gonflables comprennent normalement un manchon élasto- mérique monté sur une partie de corps tubulaire qu'il en- toure. Un fluide sous pression est transmis depuis la sur- face du puits à la lumière du corps tubulaire et, de là, par des passages radiaux, à l'intérieur d'un manchon élasto- mérique intérieur. Ce manchon élastomérique intérieur est totalement entouré par, et fixé par rapport à, plusieurs lames ou ailettes élastiques de renfort, se recouvrant à leur périphérie. Les parties médianes des ailettes de ren- fort sont entourées par et liées à un élément d'obturation élastomérique annulaire extérieur dont l'épaisseur de paroi est sensiblement plus grande. Normalement; un ensemble su- périeur de fixation établit une prise de coincement entre l'extrémité supérieure du manchon élastomérique intérieur et les lames de renfort et est assujetti fixement et de façon étanche par rapport au corps tubulaire central, tandis qu'un ensemble inférieur de fixation est assujetti de façon étanche à un raccord d'étanchéité qui est monté de façon à pouvoir effectuer des mouvements de coulissement et d'obturation étanche sur l'extérieur du corps tubulaire central, sous l'effet des forces de gonflage. Une struc- ture de ce type général est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 3 160 211. Avec des outils gonflables de ce type, on a observé que l'extrémité supérieure du manchon élasto- mérique intérieur renforcé s'expansait avant les parties médianes de recouvrement et se déformait, entraînant l'ap- parition de contraintes locales élevées. Cette déformation apparatt du fait que les extrémités d'ancrage non recou- vertes du manchon élastomérique intérieur s'expansent sous une pression beaucoup plus faible que celle demandée pour l'expansion des parties médianes de ce manchon, qui sont renforcées contre l'expansion par le manchon élastomérique d'obturation à paroi épaisse. Cette expan- sion prématurée de l'extrémité supérieure des éléments gonflables des packers gonflables de l'art antérieur entraînaient un déplacement vers l'intérieur de l'extré- mité opposée du manchon élastomérique de recouvrement, obligeant lB manchon élastomérique intérieur à s'appliquer' de façon étanche contre l'extérieur du corps central tu- bulaire et empêchant ainsi le fluide sous pression, utilisé pour expanser le manchon élastomérique intérieur gonflable, de passer et d'atteindre les parties inférieures de ce manchon. Une autre raison de l'expansion prématurée de l'extrémité supérieure du manchon élastomérique intérieur de l'assemblage d'obturation gonflable réside dans le fait qu'un mouvement quelconque de gonflage des parties infé- rieures des éléments gonflables a pour résultat un dépla- cement axial immédiat de l'ensemble inférieur de fixation par rapport au corps central tubulaire fixe. Par consé- quent, la contrainte dans les parties inférieures de l'as- semblage d'obturation est sensiblement éliminée par ce mouvement axial, tandis que la pression du fluide agit sur la partie supérieure du manchon élastomérique intérieur de façon à le déformer radialement vers l'extérieur. On a également observé que les parties ex- trême supérieure et inférieure du manchon intérieur s'ex- pansent avant les parties médianes, provoquant ainsi l'em- prisonnement de fluide autour du manchon de recouvrement. La fuite, ensuite, de ce fluide emprisonné permet à ltélé- ment de recouvrement de s'expanser, réduisant la pression de gonflage et établissant une situation propice aux fui- tes de fluide au-delà de l'élément de recouvrement. L'élimination ducomportement défectueux décrit ci-dessus, présenté par les packers ou bouchons gonflables de l'art antérieur,constitue l'objet principal de l'inven- tion. Bien que l'invention utilise un corps tubulaire cen- tral autour duquel est monté de façon étanche un manchon élastomérique intérieur, lequel est lui-même entouré de lames ou ailettes de renfort, se chevauchant de façon périphérique, et d'un manchon élastomérique extérieur de recouvrement, il est prévu, conformément à l'invention, que l'ensemble de fixation situé à l'extrémité inférieure de l'assemblage d'obturation de l'art antérieur ne soit pas immédiatement libre de se déplacer axialement sous l'effet des forces de gonflage produites par suite de l'introduction d'un fluide sous pression à l'intérieur du manchon élastomérique intérieur, mais qu'il s'ancre par un effet de cisaillement sur le corps central tubu- laire jusqu'à ce qu'un effort de traction prédéterminé soit introduit dans tous les éléments formant-l'assemblage gonflable, et en particulier qu'un effort de traction soit introduit dans les lames de renfort. Sous l'effet de cette application d'un effort préalable à tous les éléments de l'assemblage gonflable d'obturation, la tendance de la partie supérieure de l'assemblage gonflable d'obturation à s'expanser radia- lement avant les autres parties, plus basses, de cet assemblage est très notablement diminuée. Lorsque le degré prédéterminé de traction axiale est établi dans les éléments de l'assemblage gonflable, les moyens de cisaillement em- pêchant l'ensemble inférieur de fixation de se déplacer axialement sont cisaillés et l'assemblage gonflable d'ob- turation peut s'expanser librement vers l'extérieur, tou- tes les parties de l'assemblage se déplaçant radialement vers l'extérieur sensiblement en même temps jusqu'à ce que le manchon élastomérique extérieur d'obturation ou de re- vêtement porte contre la paroi intérieure de la conduite dans laquelle le packer gonflable doit être installé. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: les Figures 1A et lB représentent ensemble un quart de coupe verticale d'un outil gonflable selon l'invention, les éléments étant représentés dans leurs positions de descente; les Figures 2A et 2B sont des vues respec- tivement similaires à celles des Figures 1A et lB, mais montrant les éléments de l'outil gonflable dans les positions oc- cupées après l'introduction d'un fluide sous pression pour provoquer l'expansion des éléments gonflables; et - la Figure 3 est une coupe partielle à échelle agrandie suivant la ligne 3-3 de la Figure 1A. En référence aux Figures 1A et lB, il est représenté la partie gonflable d'un outil gonflable qui peut comprendre un packer ou bouchon, suivant que la lu- mière du trou est ouverte ou fermée. Des descriptions dé- taillées de packers ou bouchons gonflables peuvent être trouvées dans les demandes de brevets des Etats-Unis d'Amérique No. 877 421, déposée le 23 Juin 1986, et No. 113 172, déposée le 23 Octobre 1987. L'élément gonflable 10 selon l'invention est monté autour d'un manchon de corps central 1 qui s'étend sur toute la longueur du packer et est raccordé à l'extrémité inférieure d'un tube enroulé qui s'étend jusqu'à la surface du puits. Des pressions de gonflage sont appliquées par l'intermédiaire de la lumière du man- chon de corps à l'élément gonflable 10 au moyen d'agence- ments à soupape décrits et illustrés de façon plus dé- taillée dans les demandes précitées. L'élément gonflable 10 comprend un manchon élastomérique intérieur 12 qui est disposé autour du man- chon de corps central 1. Le manchon 12 comporte plusieurs ailettes ou lames 14 de renfort, se recouvrant à la péri- phérie, disposées autour de la face extérieure du manchon et s'étendant sensiblement sur toute la longueur de l'é- lément gonflable 10. Chaque ailette 14 présente une con- figuration incurvée en section transversale, ainsi qu'on peut mieux le voir sur la Figure 3, et ces ailettes se décalent les unes par rapport aux autres lors d'une ex- pansion ou d'une contraction du manchon 12. L'élément d'ob- turation 16 qui effectue en fait le contact étanche avec la lumière d'une conduite de puits (ou trou ouvert) C comprend un manchon ou élément de revêtement élastomérique extérieur qui est lié aux parties médianes des ailettes 14 de renfort. Un assemblage supérieur 20 d'ancrage est prévu pour ancrer de façon étanche les extrémités supé- rieures du manchon élastomérique 12 et des ailettes 14 de renfort par rapport au manchon de corps central 1. Cet assemblage d'ancrage est de réalisation entièrement- classique et comprend un coin 22 qui porte contre l'ex- trémité supérieure du manchon élastomérique intérieur 12 et est amené à force en prise de coincement avec lui par un écrou 24 de coincement qui est en prise dans des filets intérieurs 26a d'un manchon 26. Ce dernier est fixé en position en étant relié aux parties supérieures de l'outil gonflable, de la manière décrite dans les demandes précitées. Le manchon 26 recouvre les extrémités supérieures des ai- lettes 14 de renfort et présente une surface inférieure arrondie 26b pour permettre l'expansion radiale des par- ties adjacentes des ailettes 14. Grace à ces montages, l'extrémité supérieure du manchon élastomérique intérieur 12 et les ailettes 14 de renfort sont fixées de façon étanche afin de ne pas pouvoir se déplacer axialement par rapport au manchon de corps central 1. Un ensemble inférieur 30 d'ancrage est prévu, lequel est identique à l'assemblage supérieur 20, sauf qu'il est dans une position inversée. Ainsi, un coin 32 est appliqué à force contre l'extrémité inférieure du manchon élastomérique intérieur 12 par un écrou 34 de coincement, fileté extérieurement, qui coopère avec des filets intérieurs 36a prévus dans l'extrémité infé- rieure du manchon 36. L'extrémité supérieure de la bague ou manchon 36 de serrage recouvre l'extrémité inférieure des ailettes 14 de renfort et est arrondie comme montré en 36b afin d'épouser la forme des parties adjacentes des ailettes 14 lorsqu'une expansion se produit. La bague inférieure 36 de serrage est fixée par vissage sur un raccord 40 d'étanchéité comportant des filets extérieurs 40a qui coopèrent avec l'extrémité infé- rieure des filets intérieurs 36a. Le raccord 40 d'étan- chéité définit un évidement intérieur 40b dans lequel sont montées deux bagues annulaires 42 qui sont en contact étanche avec la surface extérieure du manchon de corps central 1. Par conséquent, si le raccord 40 d'étanchéité n'est pas retenu, l'extrémité inférieure de l'élément 10 d'obturation peut alors se déplacer axialement et libre- ment par rapport au manchon de corps central 1. Conformément à l'invention, une retenue temporaire est imposée à tout mouvement axial du raccord d'étanchéité par la fixation, de façon cisaillable, de ce raccord d'étanchéité sur le manchon de corps central 1. Le manchon 1 du corps intérieur comporte avantageusement un épaulement la tourné vers le bas contre lequel est en butée un anneau 44. L'anneau 44 définit une gorge annulaire 44a. Un manchon adaptateur 46 de cisaillement présente des fi- lets intérieurs 46a coopérant avec l'extrémité inférieure du raccord 40 d'étanchéité, et l'extrémité inférieure du manchon adaptateur 46 de cisaillement recouvre l'anneau 44 de cisaillement. Une ou plusieurs vis de cisaillement 48 sont prévues dans une disposition radiale par rapport au manchon adaptateur 46 de cisaillement et s'engagent dans la gorge annulaire 44a ménagée dans l'anneau 44 de cisaille- ment. Avec l'agencement décrit ci-dessus, l'ex- trémité inférieure du manchon élastomérique intérieur 12 et les ailettes 14 de renfort ne peuvent pds se déplacer axialement tant que les vis 48 de cisaillement sont intac- tes. Par conséquent, l'application d'un fluide sous pres- sion à la lumière intérieure du manchon élastomérique intérieur 12 engendre un degré important de traction dans ce manchon, et en particulier dans les ailettes 14 de ren- fort. Lorsque cette traction atteint un degré préalable- ment choisi, capable de provoquer le cisaillement des goujons 48 de cisaillement, ces goujons sont cisaillés et l'ensemble inférieur 40 de montage peut se déplacer axia- lement de façon libre par rapport au manchon de corps intérieur 1, comme montré sur la Figure lB. Avec cet agencement, aucune expansion radiale importante de l'élément 10 d'obturation n'apparait avant que le degré souhaité de traction soit produit dans les ailettes 14 de renfort. Grace à cet agencement, toutes les parties de l'élément gonflable 10 s'expansent radialement vers l'extérieur sensiblement en même temps, ce qui résout - les problèmes des formes de réalisation de l'art antérieur indiquées précédemment. L'homme de l'art appréciera que d'autres formes de liaison par cisaillement peuvent être utilisées entre le raccord 40 d'étanchéité et le manchon de corps central 1. Par exemple, les vis 48 de cisaillement peuvent être remplacées par une bague de cisaillement. Dans tous les cas, aucune expansion radiale importante du manchon élastomérique intérieur 12, des ailettes 14 de renfort et du manchon élastomérique extérieur d'obturation ou élément 16 de recouvrement ne se produit avant que ne disparaisse la liaison cisaillable entre le raccord d'étanchéité 40 et le manchon de corps central 1. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'outil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Outil gonflable d'obturation à utiliser dans une conduite de puits souterrain, caractérisé en ce qu'il comporte: un corps tubulaire central (1) dont l'ex- trémité supérieure porte des moyens destinés à réaliser un raccordement étanche sur un élément tubulaire s'éten- dant jusqu'à la surface du puits; un élément annulaire gonflable (10) d'ob- turation entourant concentriquement le corps tubulaire central; des premiers moyens (20) de fixation pou- vant s'enclencher avec une première extrémité de l'élément gonflable d'obturation pour la fixer de façon étanche au corps central tubulaire; des seconds moyens (30) de fixation pou- vant s'enclencher avec l'autre extrémité de l'élément gonflable pour fixer de façon coulissante et étanche cette autre extrémité au corps tubulaire central; des moyens de passage de fluide établis- sant une communication entre la lumière du corps tubu- laire central et l'intérieur de l'élément annulaire gon- flable d'obturation afin qu'un fluide sous pression puisse être transmis de la surface du puits jusqu'à l'intérieur de l'élément annulaire gonflable d'obturation pour expan- ser cet élément et l'amener ainsi en contact étanche avec la paroi intérieure de la conduite du puits; et des moyens étant destinés à fixer sélecti- vement les seconds moyens de fixation au corps tubulaire central afin d'empêcher un mouvement axial des seconds moyens de fixation sous l'effet des forces de gonflage produites par le fluide sous pression jusqu'à ce qu'un degré préalablement choisi de traction axiale soit produit dans ledit élément annulaire gonflable d'obturation. 2. Outil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'élément annulaire gonflable d'obturation comprend un manchon élastomérique (12) sur la surface ex- térieure duquel sont fixées des ailettes (14) de renfort s'étendant axialement, se chevauchant à la périphérie, et un manchon élastomérique (16) de recouvrement lié aux parties médianes des ailettes de renfort afin que les par- ties extrêmes non recouvertes dudit manchon élastomérique et desdites ailettes soient soumises audit degré préalable- ment choisi de traction axiale pour empêcher une expansion radiale d'une extrémité du manchon élastomérique avant l'autre. 3. Outil selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens destinés à fixer par cisaille- ment les seconds moyens de fixation comprennent un épau- lement extérieur (la) tourné vers le bas, situé sur le corps central tubulaire à proximité immédiate desdits seconds moyens de fixation, un anneau (44) de butée en- tourant le corps central tubulaire et appliqué en butée contre l'épaulement tourné vers le bas, et des moyens (48) de cisaillement fixant les seconds moyens de fixation à l'anneau de butée. 4. Outil selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les moyens destinés à fixer par cisaille- ment les seconds moyens de fixation comprennent un épau- lement extérieur (la) tourné vers le bas, situé sur le corps tubulaire central à proximité immédiate des seconds moyens de fixation, un anneau (44) de butée entourant le corps tubulaire central et appliqué en butée contre l'épaulement tourné vers le bas, et des moyens (48) de cisaillement fixant lesdits seconds moyens de fixation à l'anneau de butée. 5. Appareil selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens de cisaillement fixant lesdits seconds moyens de fixation à l'anneau de butée comprennent un manchon (46) fixé par. vissage sous lesdits seconds moyens de fixation et entourant l'anneau de butée, et un élément (48) de cisaillement reliant le manchon à l'anneau de butée. 6. Outil selon la revendication 4, caracté- risé en ce que les moyens de cisaillement fixant lesdits seconds moyens de fixation à l'anneau de butée compren- nent un manchon (46) fixé par vissage sous les seconds moyens de fixation et entourant l'anneau de butée, et un élément (48) de cisaillement reliant le manchon à l'anneau de butée.