Brevet FR2733003A1 — publié le 19961018

ELEMENT D'OBTURATEUR ET OBTURATEUR POUR FORAGE La présente invention concerne un élément d'obturateur pour forage et un obturateur associant plusieurs de ces éléments pour isoler une portion de forage. Un tel obturateur est particulièrement efficace pour réaliser la mesure de perméabilité de couches géologiques très peu perméables. Dans le domaine du forage, notamment du forage pétrolier, on utilise couramment des obturateurs de forage, encore appelés packers par l'homme du métier. Ils permettent l'obturation d'un espace annulaire. L'étanchéité est obtenue par l'expansion d'une garniture qui s'applique fortement contre la paroi de l'espace annulaire à obturer. On peut ainsi isoler la partie inférieure d'un forage de sa partie supérieure. En associant deux éléments d'obturation, on obtient un obturateur qui permet d'isoler une chambre dans un trou de forage, ctest-à-dire une portion du trou de longueur déterminée, par rapport à une partie inférieure et une partie supérieure du trou. Par l'intermédiaire des tiges de support de l'obturateur on peut avoir accès à la chambre pour effectuer des essais ou des mesures. Pour réaliser certains essais ou certaines mesures, par exemple une injection ou une mesure de perméabilité dans des terrains très peu perméables, il est impératif d'obtenir une étanchéité parfaite du trou de forage, c'est-à-dire que les éléments d'obturation doivent assurer une étanchéité supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la perméabilité du terrain à mesurer. Pour certaines couches géologiques, par exemple des couches de sel gemme ou d'argile, les obturateurs de l'art connu ne se sont pas révélés satisfaisants. En effet, leur principe de fonctionnement est basé sur l'écrasement de manchons en caoutchouc entre le corps de l'obturateur et la paroi du trou selon une procédure déterminée permettant d'isoler deux zones de part et d'autre de la chambre d'essai. L'analyse détaillée du comportement des manchons soumis à un effort de serrage mécanique a montré qu'ils ne supportaient pas les contraintes imposées. En effet, compte tenu de la pression qui doit nécessairement régner dans la chambre d'essai lors d'une mesure de perméabilité, les manchons doivent subir un effort de serrage très important pour maintenir une pression de contact suffisante avec les parois du trou.Cet effort de serrage ne peut pas être assuré par les dispositifs de l'art connu. La présente invention a été réalisée pour obtenir des éléments d'obturateur et un obturateur permettant de résister aux contraintes résultant de ces pressions élevées. L'étanchéité aux parois du trou est obtenue par inflation d'une ou de plusieurs membranes. L'invention a donc pour objet un élément d'obturateur de forage comportant un corps central sans contact avec la paroi du trou de forage et supportant des moyens expansibles par gonflage autour du corps central entre une position sans contact intime avec la paroi du trou et une position en contact intime avec la paroi du trou pour permettre l'obturation du trou, l'élément comportant en outre des moyens d'amenée d'un fluide de gonflage des moyens expansibles, caractérisé en ce que les moyens expansibles comportent une membrane en matériau mou entourant le corps central et destinée à être, par déformation, appliquée contre la paroi du trou lors du gonflage, des moyens anti-extrusion étant prévus pour contenir la déformation de la membrane dans une direction radiale par rapport à l'axe du trou et étant également expansibles radialement lors du gonflage. La présence de ces moyens anti-extrusion permettant une déformation uniquement radiale de la membrane a pour avantage d'assurer une application particulièrement efficace de la membrane, réalisée en matériau mou, contre la paroi du trou. Avantageusement, la membrane est maintenue sur le corps central par des moyens de serrage reliés au corps central de manière étanche. De préférence, le corps central étant un cylindre de révolution d'axe parallèle à l'axe du trou de forage, les moyens de serrage comportent, à chaque extrémité du cylindre constituant le corps central, un jeu de mâchoires retenant la membrane et constitué d'une mâchoire fixe, solidaire au corps central, et d'une mâchoire mobile qui peut être pressée contre la mâchoire fixe sous la pression du fluide de gonflage. Pour obtenir une retenue plus efficace de la membrane, les mâchoires fixe et mobile peuvent présenter des surfaces de retenue de la membrane de forme conique. Un manchon peut être disposé avec un certain jeu autour du cylindre de révolution constituant le corps central et entre les jeux de mâchoires, la membrane étant disposée autour du manchon, le jeu entre le corps central et le manchon permettant l'écoulement du fluide de gonflage depuis un conduit percé dans le corps central jusqu'à la membrane. Cette disposition permet de diriger d'abord le fluide de gonflage vers la mâchoire mobile pour la presser contre la mâchoire fixe et assurer la retenue de la membrane, avant que le fluide de gonflage n'exerce une action effective sur la membrane. Les moyens anti-extrusion peuvent comprendre deux organes annulaires situés chacun contre l'un des jeux de mâchoires. Cette solution a l'avantage de la simplicité. Chaque organe annulaire peut comporter trois bagues juxtaposées comprenant, à partir du jeu de mâchoires contre lequel est situé cet organe, une première bague fendue de manière hélicodale pour pouvoir s'expanser, une seconde bague semblable à la première bague mais dont la fente est disposée à 1800 de celle de la première bague et une troisième bague en matériau expansible. Cette disposition permet de conférer à chaque organe annulaire une bonne résistance radiale correctement répartie. La membrane peut être une membrane à dureté variable dans son épaisseur, la face de cette membrane destinée à être appliquée contre la paroi du trou étant plus tendre que la face opposée. Elle peut être de même dureté dans son épaisseur mais être dans ce cas recouverte d'une membrane supplémentaire plus tendre. Le matériau de membrane plus tendre permet une meilleure application contre la paroi du trou tandis que le matériau plus dur permet une meilleure résistance à la pression du fluide de gonflage. L'invention a aussi pour objet un obturateur de forage comprenant un ou plusieurs éléments d'obturateur tels que définis ci-dessus. En particulier, il peut comporter quatre éléments d'obturateur, des moyens d'injection d'un matériau de colmatage de la paroi du trou étant prévus entre le premier et le deuxième élément d'obturateur et entre le troisième et le quatrième élément d'obturateur de la série, la zone du trou comprise entre le deuxième et le troisième élément d'obturateur constituant une chambre d'essai ou de mesure. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 illustre le principe d'application d'un obturateur de forage à la mesure de la perméabilité d'une couche géologique traversée par un trou de forage, - la figure 2 représente, en coupe longitudinale, l'association de deux éléments d'obturateur dans la constitution d'un obturateur de forage selon l'invention, - la figure 3 représente une vue de détail d'un élément d'obturateur selon l'invention, - la figure 4 représente en vue éclatée la composition d'un organe annulaire entrant dans la constitution d'un élément d'obturateur selon la présente invention. La figure 1 montre un trou de forage 1 percé dans un terrain comprenant une couche géologique 2, par exemple une couche de sel gemme, comprise entre une couche inférieure 3 et une couche supérieure 4. La mesure de la perméabilité de la couche géologique 2, qui fait par exemple 1 m d'épaisseur, a nécessité le forage d'un trou d'accès à cette couche de manière à constituer une chambre d'essai 5. Pour mesurer la perméabilité de la couche 2, il est prévu de soumettre cette couche à la pression d'un fluide injecté à partir de la surface et de surveiller l'évolution de cette pression en fonction du temps. La chambre d'essai 5 doit donc être fermement bouchée aux parties inférieure et supérieure du trou d'accès. Pour cela on descend dans le trou de forage 1 un obturateur comprenant, dans l'exemple représenté à la figure 1, quatre éléments d'obturateur 11, 12, 13 et 14 reliés entre eux par des tubes ou tiges de liaison représentés globalement par la référence 10. Ces tubes de liaison doivent assurer la liaison mécanique des éléments d'obturateur entre eux, l'amenée du fluide de gonflage de ces éléments, l'injection d'un matériau de consolidation du terrain aux extrémités de la chambre d'essai, l'injection de fluide sous pression dans la chambre d'essai et le passage éventuel des liaisons vers la surface des instruments de mesure. A la figure 1, les éléments d'obturateur 11 à 14 ont été représentés, de manière symbolique, en état effectif d'obturation. Une fois l'obturation réalisée, on injecte un matériau de colmatage (par exemple de la résine), grâce à l'un des tubes de liaison 10, entre les éléments 11 et 12 et entre les éléments 13 et 14 pour colmater les fissurations et les zones de porosité qui pourraient provoquer une fuite du fluide, qui sera injecté dans la chambre d'essai 5, à travers les couches 3 et 4. Une fois ce colmatage effectué, l'essai de perméabilité peut être effectué. La remontée de l'obturateur se fait après dégonflage des éléments 11 à 14, par traction pour cisailler la masse de matériau de colmatage retenant l'obturateur au terrain. La figure 2 montre, en coupe longitudinale, les éléments d'obturateur 13 et 14 reliés mécaniquement par des tiges filetées 8 et fonctionnellement par des tubes de liaison 9. L'ensemble constitué par les deux éléments 13 et 14 reliés entre eux est mécaniquement et fonctionnellment relié aux éléments d'obturateur 11 et 12 (visibles sur la figure 1) par des tubes 7. Chaque élément d'obturateur 13, 14 possède un corps central ou arbre, respectivement 130, 140, formé par un cylindre de révolution et d'axe théoriquement confondu avec celui du trou de forage 1. Les arbres 130 et 140 sont percés longitudinalement de conduits assurant la continuité des tubes fonctionnels 7 et 9. A chaque extrémité d'arbre est fixée une mâchoire fixe : 132 et 134 pour l'arbre 130, 142 et 144 pour l'arbre 140. Dans chaque mâchoire fixe pénètre une mâchoire mobile coulissant sur son arbre porteur : 133 et 135 pour l'arbre 130, 143 et 145 pour l'arbre 140. Chaque mâchoire mobile a une forme extérieure conique et constitue une pièce mâle qui pénètre dans la partie creuse de conicité correspondante de la mâchoire fixe qui constitue une pièce femelle. Chaque jeu de mâchoire fixe-mâchoire mobile retient une extrémité d'une membrane 131 ou 141 qui a la forme d'un manchon cylindrique. Sur la figure 2, on distingue encore des organes annulaires anti-extrusion : 136 disposé contre la mâchoire fixe 132, 137 disposé contre la mâchoire fixe 134, 146 disposé contre la mâchoire fixe 142 et 147 disposé contre la mâchoire fixe 144. La membrane 131 et ses organes annulaires anti-extrusion 136 et 137 sont représentés en position d'expansion, l'élément d'obturateur 13 obturant le trou de forage 1. La membrane 141 et ses organes annulaires anti-extrusion 146 et 147 sont représentés en position de repos. On distingue encore sur cette figure les manchons métalliques 138 et 148 entourant avec un certain jeu les arbres 130 et 140 respectivement. La figure 3 montre plus en détail la partie supérieure de l'élément d'obturation 13. La mâchoire fixe 132 comporte en fait deux parties 31 et 32 rendues solidaires entre elles par exemple par des vis non représentées ou par collage. La partie 32 comporte le cône femelle de réception de la mâchoire mobile 133. La partie 31 est taraudée pour pouvoir se fixer sur l'extrémité filetée de l'arbre 130. Cette réalisation en deux parties de la mâchoire fixe facilite l'installation de la membrane et le montage de l'ensemble. Pour cela, le manchon 138 supportant la membrane 131 est glissé sur l'arbre 130 jusqu a sa position définitive. L'organe annulaire anti-extrusion 136 est ensuite introduit, sa possibilité de déplacement étant limitée par la présence d'une butée annulaire 30 prévue sur le manchon 138.La mâchoire mobile 133, équipée de son joint torique d'étanchéité 139, est glissée sur l'extrémité de l'arbre 130, sous la membrane 131 et jusqu'à une certaine distance du manchon 138. La partie 32 de la mâchoire fixe est engagée jusqu'au contact avec la membrane 131. Elle constitue aussi une butée en translation pour l'organe annulaire 136. La partie 31 est alors vissée en extrémité d'arbre et solidarisée à la partie 32. Ainsi, la membrane 131 n est soumise à aucun effort de torsion comme cela aurait été le cas si la mâchoire fixe avait été réalisée en une seule pièce. L'arbre 130 est, comme il est dit plus haut, percé de conduits. L'un de ces conduits, le conduit 71, débouche dans une gorge annulaire 72 pour introduire le fluide de gonflage (par exemple de l'huile) dans l'espace annulaire existant entre l'arbre 130 et le manchon 138. L'élément d'obturateur représenté comporte une autre membrane élastique 35 recouvrant la membrane élastique 131 à l'exception des parties de cette membrane 131 engagées entre les mâchoires fixes et mobiles. Cette membrane supplémentaire 35 est plus tendre et plus épaisse que la membrane 131. L'organe anti-extrusion 136 est décrit plus précisément par la figure 4. I1 est formé de trois éléments 21, 22 et 23 placés côte à côte. L'élément 21 est une bague réalisée en matériau expansible (par exemple en caoutchouc) et est celle qui est située le plus vers l'intérieur de l'élément obturateur. Elle comporte des plots 210 régulièrement répartis sur sa face interne. Les plots 210 limitent le déplacement de l'organe anti-extrusion 136 grâce à la butée de retenue 30. Chaque élément 22 et 23 comporte une bague 20 réalisée en un matériau non expansible comme le polyéthylène ou le nylon (nom déposé). Ces bagues sont fendues de manière hélicodale pour pouvoir se déployer. Une bande de caoutchouc 24 adhère partiellement sur la face interne de chaque bague 20. Comme le montre la figure 4, les éléments 22 et 23 sont disposés dans l'organe anti-extrusion de façon à avoir leur fente en opposition. Les bagues 20 possèdent des encoches 25 effectuées radialement sur leur face externe pour pouvoir se déployer plus facilement. Lors du gonflage d'un élément obturateur, le fluide de gonflage sort de l'espace annulaire compris entre l'arbre 130 et le manchon 138 en direction des mâchoires mobiles, ce qui provoque le serrage immédiat de la mâchoire mobile sur la mâchoire fixe et le ferme maintien de la membrane sur l'extrémité correspondante de l'arbre. Ce maintien est d'autant mieux assuré si la portée conique de la mâchoire mobile est cannelée. Le fluide de gonflage gonfle ensuite tous les éléments expansibles : l'organe anti-extrusion 136 et les membranes 131 et 35. L'organe anti-extrusion 136 évite donc le fluage des membranes en leur imposant une direction unique et radiale pour leur expansion. I1 assure également le maintien de l'extrémité de la membrane 35 lors du gonflage. Lors du dégonflage de l'élément d'obturation, les éléments expansibles reviennent à leur position initiale. REVENDICATIONS 1. Elément d'obturateur (11, 12, 13, 14) de forage (1) comportant un corps central (130, 140) sans contact avec la paroi du trou de forage et supportant des moyens expansibles par gonflage autour du corps central entre une position sans contact intime avec la paroi du trou et une position en contact intime avec la paroi du trou pour permettre l'obturation du trou, l'élément comportant en outre des moyens d'amenée (71) d'un fluide de gonflage des moyens expansibles, caractérisé en ce que les moyens expansibles comportent une membrane (131, 141) en matériau mou entourant le corps central et destinée à être, par déformation, appliquée contre la paroi du trou lors du gonflage, des moyens anti-extrusion (136, 137, 146, 147) étant prévus pour contenir la déformation de la membrane dans une direction radiale par rapport à l'axe du trou et étant également expansibles radialement lors du gonflage. 2. Elément d'obturateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (131) est maintenue sur le corps central par des moyens de serrage (132, 133) reliés au corps central (130) de manière étanche. 3. Elément d'obturateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps central (130) étant un cylindre de révolution d'axe parallèle à l'axe du trou de forage, les moyens de serrage comportent, à chaque extrémité du cylindre constituant le corps central, un jeu de mâchoires retenant la membrane et constitué d'une mâchoire fixe (132), solidaire du corps central, et d'une mâchoire mobile (131) qui peut être pressée contre la mâchoire fixe sous la pression du fluide de gonflage. 4. Elément d'obturateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites mâchoires fixe (132) et mobile (131) présentent des surfaces de retenue de la membrane de forme conique. 5. Elément d'obturateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un manchon (138) est disposé avec un certain jeu autour du cylindre de révolution constituant le corps central (130) et entre les jeux de mâchoires, la membrane (131) étant disposée autour du manchon, le jeu entre le corps central et le manchon permettant l'écoulement du fluide de gonflage depuis un conduit percé dans le corps central jusqu'à la membrane. 6. Elément d'obturateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens anti-extrusion comprennent deux organes annulaires situés chacun contre l'un des jeux de mâchoires. 7. Elément d'obturateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque organe annulaire comporte trois bagues (21, 22, 23) juxtaposées comprenant, à partir du jeu de mâchoires contre lequel est situé cet organe, une première bague (23) fendue de manière hélicoïdale pour pouvoir s'expanser, une seconde bague (22) semblable à la première bague (23) mais dont la fente est disposée à 180C de celle de la première bague et une troisième bague (21) en matériau expansible. 8. Elément d'obturateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane est une membrane à dureté variable dans son épaisseur, la face de cette membrane destinée à être appliquée contre la paroi du trou étant plus tendre que la face opposée. 9. Elément d'obturateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane (131) est recouverte d'une membrane supplémentaire (35) plus tendre. 10. Obturateur de forage caractérisé en ce qu'il est composé de plusieurs éléments d'obturateur (11, 12, 13, 14) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, mis en série. 11. Obturateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte quatre éléments d'obturateur, des moyens d'injection d'un matériau de colmatage de la paroi du trou étant prévus entre le premier et le deuxième élément d'obturateur et entre le troisième et le quatrième élément d'obturateur de la série, la zone du trou comprise entre le deuxième et le troisième élément d'obturateur constituant une chambre d'essai ou de mesure.