Brevet FR2791732A1 — publié le 20001006

La présente invention concerne les dispositifs d'obturation de type gonflable que l'on utilise dans les techniques de forage. On sait en effet que dans ces techniques on fait appel, dans le cadre d'applications diverses, à des dispositifs d'obturation qui sont mis en place dans les puits de forage et qui, à la profondeur requise, sont activés par la mise en oeuvre de moyens de gonflage. Ces dispositifs d'obturation, habituellement appelés "packer", sont constitués d'éléments tubulaires cylindriques dont la paroi externe est constituée d'un manchon en élastomère qui est maintenu entre deux bagues métalliques qui permettent de le raccorder à un tube de forage amont et éventuellement aval. On sait que les packers sont destinés à assurer essentiellement deux fonctions, à savoir une fonction d'ancrage et une fonction d'étanchéité avec les enrochements avoisinants du puits de forage. Pour ce faire, après introduction du packer dans le puits de forage au niveau souhaité on assure le gonflement du manchon en élastomère par une injection sous pression d'un fluide tel que préférentiellement du ciment, ou par compression mécanique. Une difficulté provient du fait qu'un packer doit supporter des charges importantes, pouvant parfois dépasser cent tonnes, si bien que les contraintes, notamment les contraintes de cisaillement, qui s'exercent sur le manchon en élastomère amènent une déformation de celui- ci qui nuit d'une part à la qualité de son ancrage et d'autre part à ses qualités d'étanchéité. 2 2791732 Cette difficulté se trouve accrue du fait que le packer doit assurer les fonctions précédemment mentionnées alors qu'il se trouve dans un milieu particulièrement hostile en raison notamment de l'agressivité des fluides rencontrés et des températures élevées. Ces dernières font d'autant ressentir leurs effets que le packer se trouve à forte profondeur, en des zones o les températures peuvent parfois dépasser des valeurs de l'ordre de 150 C. On comprend que, dans de telles conditions, les qualités mécaniques de l'élastomère constituant le manchon gonflable des packers se trouvant très amoindries. Afin de réduire les phénomènes de déformation des packers sous l'effet de telles contraintes, on a proposé de renforcer l'élastomère en lui adjoignant un renfort métallique, constitué par exemple de lames de métal qui sont disposées en écaille dans la masse de celui-ci. De tels packers sont d'une part d'un prix de revient élevé et d'autre part ne pallient pas complètement aux inconvénients précités. Par ailleurs on a constaté que les packers de l'état antérieur de la technique se conduisent comme des pièges vis-à-vis des gaz rares tels que l'hélium, si bien qu'ils se révèlent poreux au passage de celui-ci. Enfin, en raison de leur garniture externe d'élastomère les packers se révèlent fragiles, et cette garniture externe est parfois détériorée au cours de leur descente dans le puits de forage, ce qui contribue encore à leur manque de résistance mécanique ultérieure. 3 2791732 La présente invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en proposant un nouveau type de packer en mesure d'une part de résister aux conditions hostiles d'un puits de forage ainsi qu'aux fortes contraintes mécaniques qui s'exercent sur celui-ci après son ancrage. Elle a également pour but, en améliorant de façon particulièrement significative la qualité de cet ancrage, de simplifier la technique du forage en évitant notamment d'être contraint de réaliser des réductions de diamètre de forage. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'obturation d'un puits de forage, du type dit packer, comportant un élément tubulaire central recouvert d'un manchon périphérique déformable, à l'intérieur duquel on injecte un fluide sous pression de façon à déformer ledit manchon et l'appliquer sur les parois du puits de forage, caractérisé en ce que le manchon déformable est constitué d'un métal. Ce métal pourra, préférentiellement, être constitué d'un alliage à base de cupronickel. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention la paroi interne du manchon forme au moins une chambre annulaire qui s'étend sur au moins une partie de la surface du manchon et qui est en communication, par un orifice, avec l'intérieur du packer, cette chambre étant remplie, avant l'injection du fluide sous pression, d'un matériau non miscible dans le liquide de forage. Ce matériau sera avantageusement constitué d'un ciment durci qui, sous l'effet de la pression due à l'injection du ciment dans le 4 2791732 packer se fendillera créant ainsi des porosités formant autant de passages qui permettront au fluide injecté sous pression d'être admis dans les chambres annulaires et d'exercer ainsi sur les parois des manchons métalliques des efforts de pression importants répartis sur toute la surface du manchon et qui assureront la déformation des parois de celui-ci. Cette chambre pourra avantageusement être constituée par un alésage réalisé dans le manchon métallique qui sera limité vers l'intérieur par la paroi externe d'un tube ajusté dans le manchon. Le dispositif d'obturation d'un puits de forage suivant l'invention, ou packer, est particulièrement intéressant, par rapport aux dispositifs de la technique antérieure dans la mesure o, notamment lorsque le fluide sous pression injecté dans le packer est constitué de ciment, celui-ci peut faire bloc avec les différents éléments du packer et notamment avec le manchon déformable, ce qui améliore la résistance de celui-ci aux différentes contraintes qui le sollicitent et notamment le poids du tubage amont. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un packer suivant l'invention disposé dans un puits de forage. 2791732 Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de deux étapes de mise en oeuvre d'un packer suivant l'invention. La figure 4 est une vue externe partielle représentant un mode de mise en oeuvre d'un packer métallique suivant l'invention. La figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle représentant un mode de mise en oeuvre d'un packer métallique suivant l'invention. On a représenté sur la figure 1 un packer métallique 1 suivant l'invention qui est disposé dans un puits de forage 3. Ce packer 1 se compose essentiellement d'un manchon cylindrique externe 5 et d'un élément tubulaire métallique 7 ajusté à l'intérieur de celui-ci. Les parties droite et gauche de cette figure représentent respectivement le packer avant et après le gonflage de son manchon. Le manchon 5 est constitué d'un métal possédant de bonnes caractéristiques de résistance à la corrosion qui est facile à usiner, et qui est à même de subir des déformations importantes sans perte notable de ses caractéristiques mécaniques. Les différents essais qui ont été effectués ont établi que les alliages de cuivre et de nickel notamment ceux comportant des teneurs en fer et en manganèse respectifs de l'ordre de 1,5% et 0,8% étaient particulièrement intéressants. On retiendra ainsi tout particulièrement un alliage de composition CuNilOFeMnl c'est-à- dire un alliage dont la composition est: 6 2791732 Cuivre 87,7% Nickel 10% Fer 1,5% Manganèse 0,8% D'autres types d'alliages peuvent bien entendu être utilisés, et l'on retiendra notamment les alliages d'acier inoxydable doux, les alliages à base de cuivre et d'aluminium notamment. La surface interne des extrémités du manchon 5 est creusée de trois rainures circulaires qui reçoivent des joints toriques 11 assurant une étanchéité entre ce manchon et l'élément tubulaire 7. Les extrémités externes du manchon sont chacune creusée d'un alésage circulaire à l'intérieur duquel est emmanchée à force une bague d'acier 13, formant cerclage, destinée à empêcher toute déformation des parties extrêmes du manchon 5. La solidarisation de la bague 13 et du manchon 5 avec l'élément tubulaire 7 est assurée par le biais d'une immobilisation en translation de ces éléments, qui est obtenue au moyen d'une vis 15 vissée dans l'élément tubulaire 7 et dont la tête 15a prend place dans des évidements appropriés prévus dans la bague 13 et dans le manchon 5. La face interne centrale du manchon 5 comprise entre les cerclages 13 est creusée d'un évidemment diminuant, dans cette partie centrale, l'épaisseur du manchon 5 et qui forme avec la face externe de l'élément tubulaire 7 une chambre annulaire 17. Cette chambre 17 communique avec l'intérieur de l'élément tubulaire 7 par des lumières 19. 7 2791732 Comme représenté de façon schématique sur les figures 2 et 3, l'intérieur de la chambre 17 est rempli d'un ciment durci, qui est destiné à éviter que le liquide existant dans le puits de forage ne remplisse celle-ci. Après avoir mis en place le packer 1 suivant l'invention dans le trou de forage 3 au niveau o l'on souhaite l'ancrer et avoir obturé la partie avant du packer au moyen d'un obturateur 18, on injecte sous forte pression, de façon connue, à l'intérieur de l'élément tubulaire 7 un produit, tel que notamment un ciment. Dans ces conditions, le ciment injecté sous pression à l'intérieur de l'élément tubulaire 7 pénètre sous forte pression, dans les orifices 19, brise le ciment durci contenu dans la chambre 17 et, ce faisant, crée dans celui-ci des interstices qui lui permettent de pénétrer dans la chambre 17 sur toute la périphérie de celle-ci, ce qui a pour effet de favoriser l'application de la pression communiquée par le ciment injecté à la surface totale de la partie déformable du manchon 5. Dès lors, celui-ci commence à se déformer ce qui favorise alors la pénétration du ciment sous pression dans la chambre 17 et a pour effet d'appliquer fortement la face externe du manchon 5 contre la paroi interne du puits 3. Une fois le ciment durci l'ancrage du packer est assuré. La création de la chambre 17 qui s'étend sur la quasi totalité de surface interne du manchon 5 permet d'appliquer la force de pression provenant du ciment d'injection sur la totalité de cette paroi, ce qui a pour effet de favoriser sa déformation. Suivant l'invention le remplissage de la chambre 17 par un ciment durci permet 8 2791732 d'éviter que le liquide circulant dans le puits, ou liquide de forage, ne prenne place à l'intérieur de cette chambre avant l'injection du ciment sous pression ce qui aurait pour effet de provoquer une dilution de celui-ci après l'injection, avec pour conséquences un amoindrissement des qualités de résistance mécaniques du ciment injecté dans cette chambre 17. Bien entendu on peut remplir la chambre 17 avec d'autres produits, notamment des produits susceptibles de se briser sous l'effet de la force d'injection du ciment, de façon à créer ainsi de multiples passages permettant au ciment injecté de pénétrer dans la chambre 17 afin de provoquer la déformation de la partie du manchon 5 et le gonflage de celle-ci. On pourrait ainsi utiliser notamment du gypse ou, par exemple, une résine époxy. On pourrait également faire appel à des micro-billes de verre susceptibles de se briser sous l'effet de la force d'injection du ciment. L'invention est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet d'assurer un accrochage du ciment injecté sur le manchon métallique externe 5, accrochage qui n'était pas envisageable lorsque les manchons externes étaient constitués d'un élastomère. Ainsi, si entre les étapes représentées sur les figures 2 et 3, c'est-à-dire avant l'obturation de l'élément tubulaire 7 par l'obturateur 18, on injecte du ciment sur la paroi 3 du puits de forage, ce ciment après le gonflement du manchon 5 fera bloc avec celui-ci et avec les parois du puits 3 ce qui bien entendu 9 2791732 améliorera l'ancrage du packer 1 de façon importante et rendra celui-ci quasiment inamovible. La présente réalisation est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet, contrairement aux packers en élastomère de l'état antérieur de la technique, de réaliser sur la surface externe du manchon déformable des aspérités constituant de véritables crampons améliorant encore l'ancrage du packer sur la paroi interne des puits. Ainsi que représenté sur la figure 4, la surface externe du manchon métallique 5 comporte ainsi des rainures circulaires (figures en traits interrompus sur la figure) inclinées par rapport à l'axe transversal xx' de celui-ci et qui sont alternées en direction par rapport à cet axe, de façon à réaliser successivement des angles a et -a avec pour effet de former des crampons 21 dont la forme vue en plan constitue sensiblement des losanges. On pourrait bien entendu réaliser des crampons de toute autre forme. La présente invention permet également de combiner de bonnes qualités d'ancrage et de bonnes qualités d'étanchéité. Ainsi dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, représentée sur la figure 5, lorsque pour des raisons techniques, on souhaite privilégier l'étanchéité existant entre le packer et la surface interne du puits dans lequel il est disposé, on remplit des rainures creusées en surface externe du manchon 5 (notamment des rainures circulaires) d'un produit élastomère 23, d'une résine époxy élastique etc.. qui confère au manchon 5 de bonnes qualités d'étanchéité tout en conservant à celui-ci de bonnes é 2791732 qualités d'ancrage grâce à ses aspérités rigides formant crampons existant entre ces rainures. Bien entendu les packers métalliques suivant l'invention peuvent être réalisés de différents diamètres et de différentes longueurs, fonction des puits de forage et des applications spécifiques auxquels ils doivent satisfaire. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'obturation d'un puits de forage, du type dit packer, comportant un élément tubulaire central (7) recouvert d'un manchon périphérique déformable (5), à l'intérieur duquel on injecte un fluide sous pression, de façon à déformer ledit manchon (5) et l'appliquer sur les parois du puits de forage (3), caractérisé en ce que le manchon déformable (5) est constitué d'un métal. 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la paroi interne du manchon (5) constitue au moins une chambre annulaire (17) qui s'étend sur au moins une partie de la surface du manchon (5) et qui est en communication, par un orifice (19), avec l'intérieur du packer, cette chambre (17) étant, avant l'injection du fluide sous pression, remplie d'un matériau non miscible dans le liquide de forage. 3.- Dispositif suivant la revendication 2 caractérisé en ce que la chambre (17) est constituée d'un alésage réalisé dans le manchon déformable (5) qui est limité vers l'intérieur par la paroi externe d'un tube (7) ajusté dans le manchon (5). 4.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau est constitué de ciment durci. 5.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le métal est un alliage de cupronickel. 12 2791732 6.- Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'alliage contient une quantité de nickel voisine de 10%. 7.- Dispositif suivant l'une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que l'alliage est un alliage de type CuNilOFeMnl. 8.- Dispositif suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la surface externe du manchon comprend des aspérités d'accrochage. 9.- Dispositif suivant la revendication 8 caractérisé en ce que les creux entre les aspérités sont remplis, au moins en partie, d'un élastomère.