Brevet FR2894280A1 — publié le 20070608

La présente invention se rapporte à un dispositif d'étanchéité destiné à assurer l'obturation temporaire d'un puits, notamment de pétrole, ou d'une canalisation. Elle concerne également un procédé de montage d'un tel dispositif et plus particulièrement de son manchon tubulaire sur un organe d'extrémité. Un tel dispositif d'étanchéité, bien connu dans le domaine technique du forage et des canalisations, est usuellement désigné par l'expression "obturateur gonflable" ou par le terme anglais "packer". Il est destiné à séparer provisoirement l'une de l'autre deux portions 10 contiguës du puits ou de la canalisation, par exemple pour effectuer des investigations ou des réparations dans l'une de ses portions. L'invention s'adresse plus particulièrement à un dispositif d'étanchéité de ce genre, sous forme d'un manchon ou vessie gonflable qui est portée par un support destiné à être introduit dans le puits ou la canalisation. 15 Un tel dispositif comporte généralement : Au niveau de la zone déformable : - Une membrane d'étanchéité tubulaire et gonflable, de section circulaire, en matériau étanche, souple et élastique, radialement déformable vers l'extérieur sous l'action d'une pression de fluide 20 interne, afin de s'appliquer hermétiquement contre la structure mécanique ; - Une structure mécanique dont la fonction est de résister aux forces exercées par la pression de gonflage appliquée à la membrane d'étanchéité, cette structure mécanique pouvant être équipée d'un 25 dispositif dit anti-extrusion dont la fonction est d'éviter l'extrusion de la membrane d'étanchéité au travers de la structure mécanique ; - Une peau extérieure tubulaire en matériau souple et élastique radialement déformable par le mouvement de la structure mécanique. 30 Au niveau de ses extrémités : - Une liaison étanche assurant l'étanchéité de la membrane d'étanchéité avec l'extrémité ; - Une liaison mécanique axiale assurant la fixation de la structure mécanique sur l'extrémité et reprenant l'ensemble des forces de composante axiale crée par la pression de gonflage - Un anneau de maintien radial assurant le maintien radial de la structure mécanique quand elle est soumise à la pression de gonflage. Au repos, les diamètres du dispositif et de l'obturateur sont inférieurs à celui du puits ou de la canalisation. Une fois que le dispositif a été positionné dans la zone voulue, le gonflage de l'obturateur est généralement réalisé par pompage d'un liquide, tel que de l'eau, un hydrocarbure, et/ou de la boue présente à l'intérieur du puits ou de la canalisation. Ce fluide est porté à une pression élevée, apte à provoquer l'expansion de la membrane et de la structure mécanique et de plaquer fermement la peau extérieure contre la paroi de la zone en question afin de l'obturer hermétiquement de manière temporaire ou définitive. Lors du gonflage, l'obturateur se dilate radialement et se raccourcit à la fois suivant la géométrie de fabrication de la structure mécanique ; Une fois les opérations d'investigation et/ou de réparation terminées, 20 on dégonfle l'obturateur, et on retire le dispositif. Il peut bien sûr être utilisé à nouveau ultérieurement pour obturer ensuite une nouvelle zone du même puits ou de la même canalisation, ou être transféré vers un autre site, dans un nouveau puits ou dans une nouvelle canalisation, pour y remplir la même fonction. 25 On a représenté aux figures 1 et 2 annexée, en coupe axiale schématique, un tel dispositif d'étanchéité, placé à l'intérieur d'un puits ou d'une canalisation à obturer, avant et, respectivement, après gonflage. On y a désigné par la référence C la paroi d'un puits, par exemple d'extraction de pétrole, ou d'une canalisation. 30 Cette paroi, cylindrique, d'axe X-X', peut consister, lorsqu'il s'agit d'un puits, en la paroi brute du puits foré, ou en la paroi d'un chemisage en acier ou en matière synthétique si le puits est tubé. Son axe X-X' est disposé horizontalement sur la figure pour simple raison de commodité de représentation. 35 Son orientation, bien évidemment, pourrait être différente, en particulier verticale ou oblique. Le dispositif d'étanchéité 1 comprend essentiellement un manchon cylindrique 2 centré sur l'axe X-X' et porté par une paire d'organes de retenue 3, 4. Ces derniers sont des rondelles d'extrémité rigides, par exemple en acier, reliées l'une à l'autre par le manchon 2. Ce manchon possède une paroi souple et élastiquement déformable. La représentation de cet assemblage est purement illustrative. Ses extrémités sont obturées par les rondelles 3 et 4, qui y sont fixées de manière étanche, par exemple par collage. Les dimensions d'un tel dispositif peuvent être très différentes selon 10 les applications. A titre purement indicatif, le manchon (non gonflé) a par exemple une longueur 1 égale à 2,5 m, un diamètre d égal à 120 mm, et une épaisseur de paroi e égale à 20 mm. Un appareillage de type connu, non représenté, permet de déplacer le 15 dispositif à l'intérieur du puits afin de le positionner en regard de la zone à obturer, et d'introduire un liquide de gonflage sous pression élevée à l'intérieur du manchon 2. A cet effet, la rondelle 3 est munie d'un conduit 30 d'amenée du liquide. 20 Telle est la structure schématique d'un tel dispositif. Sur la figure 2, cette introduction de liquide sous pression est symbolisée par la flèche P, et la pression interne a pour effet de déformer radialement la paroi du manchon vers l'extérieur, de sorte que sa partie centrale se plaque fermement, de façon étanche, contre la paroi C, comme cela est symbolisé 25 par les flèches f sur la figure 2. A titre indicatif, la pression de gonflage peut atteindre une valeur de l'ordre de 3.10' à 4. 10' Pascal environ. L'expansion radiale du manchon entraîne une diminution de sa longueur, ce qui rapproche les rondelles 3 et 4 l'une de l'autre. 30 Le taux de déformation diamétral du manchon peut atteindre 3 : 1 (triplement du diamètre). Le dispositif est donc soumis à des contraintes mécaniques importantes, ceci dans un milieu souvent agressif et à des températures élevées. De plus, un même dispositif doit pouvoir être utilisé plusieurs fois à 35 l'intérieur d'un même puits ou d'une même canalisation, par exemple une vingtaine de fois, pour permettre de procéder à des investigations données, par exemple pour mesurer la porosité de la paroi, en différentes zones axialement éloignées. Apr6s chaque cycle de gonflage-dégonflage, le manchon doit revenir à un diamètre proche de son diamètre initial, ce qui suppose qu'il possède de bonnes qualités élastiques. En se reportant à la figure 3, on a représenté, également en coupe axiale schématique une partie d'un organe de retenue 3 et d'un manchon auquel il est connecté. Comme cela est bien visible sur la figure, l'organe d'extrémité 3 se 10 termine par une jupe annulaire 31 qui est dirigée vers le manchon 2. Cette jupe présente une épaisseur réduite et s'étend dans le prolongement de la paroi interne de l'organe 3. Cela signifie qu'il existe un épaulement périphérique 32 qui entoure la jupe 31 et qui est dirigée perpendiculairement, c'est-à-dire circonférentiellement, par rapport à l'axe X-X' de 15 l'organe 3. Dans le mode de réalisation représenté ici et comme montré seulement en partie supérieure de la figure 3, le manchon tubulaire 2 présente une structure analogue à celle détaillée en introduction de la présente demande. Cela signifie qu'il comprend, depuis l'intérieur vers l'extérieur, une membrane 20 d'étanchéité 20, une structure mécanique 21 et une peau extérieure 22. Le manchon 2 présente une épaisseur et des dimensions adaptées pour que la membrane d'étanchéité 20 vienne se placer autour de la jupe 31, en ceinturant celle-ci, et en butée longitudinale contre l'épaulement précité. Un anneau de maintien radial 36, qui fait partie intégrante de l'organe 25 3, retient et emprisonne la membrane 20 et la structure mécanique 21. La peau extérieure 22 vient en butée contre cet anneau. La liaison entre la jupe et la membrane 20 est généralement faite par collage, mais une difficulté consiste à établir une liaison correcte entre le caoutchouc de la membrane et le métal de la jupe. 30 Ce problème est encore plus préoccupant lorsqu'on a affaire à une structure telle que celle présentée aux figures 4 à 6 et décrites ci-après. Dans un souci de simplification, sur ces figures, seule la membrane 20 du manchon a été représentée. L'organe d'extrémité 3 présente ici également une jupe annulaire 31 35 dirigée vers le manchon. Toutefois celle-ci s'étend sensiblement à mi-épaisseur de la paroi de l'organe 3, ce qui génère deux épaulements périphériques et concentriques 32 et 34 disposés de part et d'autre de la jupe 31. Lorsque l'on gonfle le manchon 2, sous l'effet de la pression interne qui augmente, le caoutchouc commence à s'étirer. Ce phénomène est représenté à la 5 figure 5 par les flèches f. Plus le manchon se gonfle, plus le caoutchouc subit un effort de traction important. Bien entendu, cet effort est reporté au niveau de la liaison entre le manchon et la jupe 31. Dans la mesure où la liaison entre ces deux éléments est réalisé avec 10 de la colle, sous l'effet de la température ambiante généralement élevée (pouvant atteindre 175 C), les propriétés d'adhérence de la colle diminuent, et en raison de la traction, le caoutchouc du manchon 2 se décolle au niveau de la liaison avec la jupe. Ces régions privilégiées dans lesquelles le manchon se décolle sont repérés à la figure 6 par la lettre A. 15 Une telle configuration de dispositif d'étanchéité est notamment décrite dans le document US-A-4 886 117. La structure illustrée à la figure 7 est sensiblement analogue à celle déjà décrite en référence à la figure 3. Toutefois, on note la présence d'un insert annulaire 35, de préférence 20 métallique, qui est engagée à la fois dans l'organe 3 et dans le manchon 2. Même avec cette structure, on se trouve confronté aux mêmes problèmes que ceux qui ont été décrits en référence aux figures 4 à 6. Un tel assemblage est notamment décrit dans le document US-A-6 230 798. 25 La présente invention vise à résoudre ces problèmes en proposant un dispositif d'étanchéité dans lequel la liaison entre le manchon et l'organe d'extrémité est réalisée de manière telle que même en cas d'effort important dû au gonflage du manchon, la liaison entre les deux pièces tiennent de manière satisfaisante, sans risque de décollement ou de cassure. 30 La présente invention vise également à atteindre ce but en conservant une structure de dispositif d'étanchéité globalement inchangé. Il s'agit donc d'un dispositif d'étanchéité servant à obturer un puits ou une canalisation, qui comporte un manchon tubulaire radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, afin de se plaquer hermétiquement contre la paroi 35 du puits ou de la canalisation, ce manchon étant fixé à des organes d'extrémité dont au moins un comporte une jupe annulaire dirigée vers ce manchon. Ce dispositif se caractérise essentiellement par le fait que la paroi de la jupe est percée d'un ensemble de trous débouchants et que la matière du manchon enrobe cette jupe de façon à en recouvrir les faces externe et interne tout en obturant les trous, ceci sans solution de continuité. De cette manière, la matière du manchon est en quelque sorte incrustée dans la jupe de sorte que ces trous offrent le maximum de surface au caoutchouc pour s'opposer à la traction de la partie gonflée du manchon. Par ailleurs, selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - le manchon est constitué, de l'intérieur vers l'extérieur, d'une membrane d'étanchéité intérieure, d'une structure mécanique et d'une peau extérieure, et c'est la matière de ladite membrane d'étanchéité qui enrobe ladite jupe ; - lesdits trous s'étendent circonférentiellement sur la paroi de ladite 15 jupe ; - ladite jupe comporte au moins deux séries distinctes de trous, décalées longitudinalement ; - les trous d'une première série sont décalés circonférentiellement par rapport aux trous de la série voisine, de sorte que l'ensemble affecte, vue de 20 dessus, une disposition en quinconce ; - lesdits trous ont une forme oblongue ; - la surface externe dudit manchon est dans l'alignement de la surface la plus externe dudit organe d'extrémité. L'invention se rapporte également à un procédé de montage d'un 25 manchon tubulaire, radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, sur la jupe annulaire d'un organe d'extrémité d'un dispositif d'étanchéité servant à obturer un puits ou une canalisation. Ce procédé se caractérise essentiellement par le fait qu'on utilise un organe d'extrémité dont la jupe est percée d'un ensemble de trous débouchants et 30 qu'on surmoule la matière du manchon sur la jupe, de façon à en recouvrir les faces externe et interne tout en obturant les trous, ceci sans solution de continuité. Selon des caractéristiques avantageuses de ce procédé : - on utilise un organe d'extrémité dont les trous s'étendent circonférentiellement sur la paroi de ladite jupe ; 35 -ladite jupe comporte au moins deux séries distinctes de trous, décalées longitudinalement ; 10 - les trous d'une première série sont décalés circonférentiellement par rapport aux trous de la série voisine, de sorte que l'ensemble affecte, vue de dessus, une disposition en quinconce. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 5 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 8 est une vue de dessus d'un organe d'extrémité d'un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention ; -la figure 9 est une vue simplifiée en coupe longitudinale d'un organe analogue à celui de la figure 8 auquel est fixé un manchon représenté partiellement ; - la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 montrant le comportement du manchon du dispositif d'étanchéité lors de son gonflage. 15 L'organe d'extrémité représenté à la figure 8 présente une structure similaire à celle qui a déjà été décrite en référence à l'art antérieur. En effet, cet organe présente une jupe annulaire terminale 31 dirigée vers le manchon. Elle s'étend à mi-épaisseur de la paroi de l'organe 3. Conformément à l'invention, la paroi de la jupe 31 est percée d'un 20 ensemble de trous débouchants référencés 5. Comme montré sur cette figure, ces trous 5 s'étendent circonférentiellement sur la paroi de la jupe. En d'autres termes, ils sont disposés selon des cercles parallèles entre eux qui s'étendent perpendiculairement à l'axe X-X' et aux génératrices de la jupe. On a affaire ici à trois séries SI, S2 et S3 de trous, ces séries étant décalées longitudinalement l'une par rapport à l'autre. Bien entendu, dans d'autres formes de réalisation non représentées, ce nombre est différent, par exemple supérieur. On constate par ailleurs que la répartition des trous est particulière. 30 En effet les trous de la première série SI sont décalés circonférentiellement par rapport aux trous de la série voisine S2. Il en est de même également pour les trous de cette série S2 par rapport à la troisième série S3, de sorte que l'ensemble affecte, vue de dessus, une disposition en quinconce. On expliquera plus loin dans la description l'intérêt d'un tel 10 25 35 agencement. En référence aux figures 9 et 10, on a représenté une jupe 31 qui comporte seulement deux séries de trous 5. Conformément à l'invention, la matière du manchon 2, en l'occurrence la matière de la membrane interne, enrobe la jupe 3 de façon à en recouvrir aussi bien la face externe 310 que la face interne 311, tout en obturant les trous 5, ceci sans solution de continuité. En d'autres termes, la matière du manchon fait corps avec la jupe 31 de l'organe 3. Cette matière étant en quelque sorte incrustée dans la jupe. Le montage du manchon 2 sur la jupe 3 se fait de préférence par surmoulage. Le caoutchouc qui constitue préférentiellement la matière du manchon 2 emprisonne la jupe par l'intérieur et par l'extérieur. Les trous 5 ayant de préférence une forme oblongue, ils offrent alors le maximum de surface au caoutchouc pour s'opposer à l'attraction du manchon au 15 cours de son gonflage. Cette force de traction est ainsi divisée entre une force réactive au niveau des trous et une force d'adhérence au niveau de la partie collée sur la jupe. Le caoutchouc du manchon ne glisse donc plus sur la jupe là même où la colle ne pouvait retenir ce mouvement conduisant au décollement. 20 Enfin on remarquera que la partie d'extrémité de la jupe présente un profil arrondi pour éviter tout cisaillement du caoutchouc en phase de gonflage. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité servant à obturer un puits ou une canalisation (C), qui comporte un manchon tubulaire (2) radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, afin de se plaquer hermétiquement contre la paroi du puits ou de la canalisation (C), ce manchon (2) étant fixé à des organes d'extrémité (3 ; 4) dont au moins un (3) comporte une jupe annulaire (31) dirigée vers ce manchon (2), caractérisé par le fait que la paroi de ladite jupe est percée d'un ensemble de trous débouchants (5) et que ladite matière du manchon (2) enrobe ladite jupe (3) de façon à en recouvrir les faces externe (310) et interne (311) tout en obturant lesdits trous (5), sans solution de continuité. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ledit manchon (2) est constitué, de l'intérieur vers l'extérieur, d'une membrane d'étanchéité intérieure (20), d'une structure mécanique (21) et d'une peau extérieure (22), caractérisé par le fait que c'est la matière de ladite membrane d'étanchéité (20) qui enrobe ladite jupe (31). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdits trous (5) s'étendent circonférentiellement sur la paroi de ladite jupe (31). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite jupe (31) comporte au moins deux séries distinctes (Si, S2, S3) de trous (5), décalées longitudinalement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les trous (5) d'une première série (Si, S2, S3) sont décalés circonférentiellement par rapport aux trous (5) de la série voisine (Si, S2, S3), de sorte que l'ensemble affecte, vue de dessus, une disposition en quinconce. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits trous (5) ont une forme oblongue. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface externe (20) dudit manchon (2) est dans l'alignement de la surface la plus externe (33) dudit organe d'extrémité (3). 8. Procédé de montage d'un manchon tubulaire (2), radialement expansible sous l'action d'un fluide de gonflage, sur la jupe annulaire (31) d'un organe d'extrémité (3) d'un dispositif d'étanchéité servant à obturer un puits ou une canalisation (C), caractérisé par le fait qu'on utilise un organe d'extrémité (3) dont la jupe (31) est percée d'un ensemble de trous débouchants (5) et qu'on surmoule lai0 matière dudit manchon (2) sur ladite jupe (31), de façon à en recouvrir les faces externe (310) et interne (311) tout en obturant lesdits trous (5), sans solution de continuité. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'on 5 utilise un organe d'extrémité (3) dont les trous (5) s'étendent circonférentiellement sur la paroi de ladite jupe (31). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite jupe (31) comporte au moins deux séries distinctes (Si, S2, S3) de trous (5), décalées longitudinalement. 10 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé par le fait que les trous d'une première série (Si, S2, S3) sont décalés circonférentiellement par rapport aux trous (5) de la série voisine (Si, S2, S3), de sorte que l'ensemble affecte, vue de dessus, une disposition en quinconce. 15