Brevet FR2910047A1 — publié le 20080620

MANCHON GONFLABLE A DEFORMATION CON?ROLEE, PROCEDE DE FABRICATION, ET APPLICATION A LA PRESSIOMETRIE. L'invention concerne, de façon générale, les techniques de diagraphie et d'exploitation de forages du sous-sol. Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un manchon gonflable encore appelé "packer" par l'homme du métier, ce manchon comprenant un mandrin s'étendant suivant un axe longitudinal et une enveloppe gonflable étanche liée au mandrin et adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum. Les manchons gonflables sont bien connus de l'homme du métier et sont traditionnellement utilisés en diagraphie ou en exploitation du sous--sol pour obturer un forage, ainsi qu'en pressiométrie pour évaluer in situ les paramètres mécaniques des sols. Bien qu'un manchon gonflable puisse, suivant son application, être gonflé par un gaz sous pression ou par un liquide sous pression, la mise en oeuvre d'un tel manchon est toujours rendue délicate par le risque d'une déformation incontrôlée et/ou d'une rupture de son enveloppe. L'invention a précisément pour but de proposer un manchon gonflable pratiquement exempt de tels risques. A cette fin, le manchon gonflable de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre une gaine de contention recouvrant l'enveloppe gonflable et incluant une structure souple au moins partiellement formée de 2 2910047 fibres résistantes sensiblement inextensibles, en ce que ces fibres comprennent au moins des fibres périphériques dont chacune s'étend autour de l'axe longitudinal, et en ce que ces fibres périphériques adoptent une 5 configuration plissée pour la configuration de repos de l'enveloppe et une configuration étirée pour la configuration de gonflage maximum de 'enveloppe. Par convention, la propriété définie par l'expression "résistante sensiblement inextensible" 10 utilisée dans la présente description est considérée comme applicable à des fibres, par exemple des fibres textiles, qui présentent une résistance à la traction au moins cinquante fois supérieure à celle d'un fil de caoutchouc de même section, et/ou qui répondent à une 15 traction par une rupture après un allongement relatif modéré, par exemple inférieur à 20 De préférence, la structure souple comprend des fibres longitudinales, croisées avec les fibres périphériques et s'étendant dans une direction au moins 20 sensiblement parallèle à l'axe longitudinal, ces fibres sensiblement inextensibles étant par exemple constituées de fibres textiles. Il peut également être judicieux de prévoir que la structure souple comprenne des fils élastiques 25 périphériques, par exemple entrelacés avec les fibres longitudinales, et dont chacun s'étend autour de l'axe longitudinal et sollicite les fibres périphériques en configuration étirée vers leur configuration plissée. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, 30 la structure souple appartient à une sangle élastique à matrice textile enroulée en hélice autour de l'enveloppe. 3 2910047 La matrice textile de la sangle peut alors typiquement comprendre des fils de chaîne constituant lesdites fibres périphériques, des fils de trame entrelacés avec les fils de chaîne et constituant les 5 fibres longitudinales, et des fils élastiques au moins sensiblement parallèles aux fils de chaîne. Le manchon gonflable de l'invention est idéalement applicable à la réalisation d'une sonde de pressiomètre. L'invention concerne également un procédé de 10 fabrication d'un manchon gonflable comprenant un mandrin s'étendant suivant un axe longitudinal et une enveloppe gonflable étanche adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, ce procédé comprenant au moins des étapes de 15 réalisation du mandrin, de réalisation de l'enveloppe et de montage de l'enveloppe sur le mandrin, et étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : - fabriquer une maquette à échelle un du manchon 20 gonflable, ayant la forme souhaitée pour le manchon gonflable en configuration totalement gonflée et présentant un axe longitudinal; -enrouler en hélice, et en état de pleine élongation, une sangle élastique à matrice textile sur la maquette; 25 - disposer le manchon gonflable en configuration de repos à proximité de la maquette; et - dérouler la sangle de la maquette pour l'enrouler simultanément sur le manchon gonflable en faisant tourner simultanément la maquette et le manchon gonflable à une 30 même vitesse angulaire autour de leurs axes longitudinaux respectifs. 4 2910047 Par convention, l'expression "état de pleine élongation" correspond à l'état d'élongation de la structure souple à partir duquel les fibres périphériques de cette structure souple se trouvent totalement 5 déplissées et commencent à opposer leur résistance à tout allongement supplémentaire. Dans un mode de réalisation aisé à mettre en oeuvre, les axes longitudinaux respectifs du manchon et de la maquette peuvent être disposés parallèlement l'un à 10 l'autre à une distance au plus égale à la circonférence du manchon, le manchon et la maquette étant entraînés en rotation en sens inverse ou dans le même sens selon que la portion de sangle s'étendant entre la maquette et le manchon traverse ou non le plan passant par lesdits axes 15 longitudinaux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans 20 lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable illustrées en configuration de repos, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la moitié inférieure étant celle d'un manchon 25 conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable illustrées en configuration de gonflage intermédiaire et à l'intérieur d'un forage F, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la 30 moitié inférieure étant celle d'un manchon conforme à l'invention; 2910047 5 - la figure 3 est une vue schématique de deux moitiés de manchon gonflable ceint d'un tube fendu et représenté en configuration de gonflage intermédiaire, la moitié supérieure étant celle d'un manchon connu et la 5 moitié inférieure étant celle d'un manchon conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue schématique grossie d'une structure souple utilisable dans un manchon gonflable conforme à l'invention; 10 - la figure 5 est un diagramme représentant, respectivement en pointillés et en trait plein, l'évolution du volume interne Vi, exprimé en centimètres cubes et en ordonnée, d'un manchon gonflable connu et d'un manchon conforme à l'invention, en fonction de la 15 pression interne Pi de ces manchons, exprimée en bars et en abscisse; -la figure 6 est un diagramme représentant l'évolution de la force F de traction, exprimée en kilogrammes et en ordonnée, qui doit être appliquée à une 20 sangle élastique utilisable pour la réalisation d'un manchon conforme à l'invention, pour obtenir un allongement X de cette sangle, exprimé en pourcentage et en abscisse; et - la figure 7 est un schéma illustrant une phase 25 d'un procédé susceptible d'être mis en oeuvre pour la réalisation d'un manchon gonflable conforme à l'invention. Comme annoncé précédemment, l'invention concerne notamment un manchon gonflable, encore appelé "packer" 30 par l'homme du métier, le manchon de l'invention étant particulièrement adapté à la réalisation d'une sonde de 2910047 6 pressiomètre mais étant plus généralement utilisable dans toutes les applications connues des packers. Un tel manchon comprend traditionnellement un mandrin 1 s'étendant suivant un axe longitudinal X, et 5 une enveloppe annulaire gonflable et étanche 2, liée au mandrin 1. L'enveloppe gonflable 2 est fixée au mandrin 1 au moyen de bagues 10 et peut, à volonté, adopter une configuration de repos (figure 1) ou une configuration de 10 gonflage maximum (figure 2). Cependant, comme le montre la partie supérieure de la figure 2, l'enveloppe 2 d'un manchon gonflable classique peut, en fonction de la nature du sous-sol entourant le forage F dans lequel ce manchon est 15 introduit, ou dans le cas d'un espace annulaire important entre le manchon au repos et la paroi interne d'un tube de forage dans lequel il est gonflé, subir des déformations incontrôlées allant jusqu'à produire sa rupture. 20 Pour éviter ce phénomène, le manchon de l'invention comprend une gaine de contention 3 recouvrant l'enveloppe gonflable 2. Cette gaine 3 inclut une structure souple 4 (figure 4) qui est au moins partiellement formée de fibres 25 sensiblement inextensibles 41 et 42, par exemple constituées de fibres textiles résistantes, telles que des fibres aramide ou des fibres de Kevlar . En particulier, la structure 4 comprend des fibres périphériques 41 dont chacune entoure l'enveloppe 2 et 30 entoure donc l'axe longitudinal X du manchon en s'étendant suivant une direction idéalement perpendiculaire à cet axe X. 7 2910047 En pratique, ces fibres périphériques 41 forment de préférence avec l'axe X un angle au moins égal à 70 degrés, et de préférence au moins égal à 80 degrés. Lorsque l'enveloppe 2 est au repos (figure 1), les 5 fibres périphériques 41 forment des plis, alors que ces fibres 41 sont totalement étirées et tendues lorsque l'enveloppe 2 est gonflée raison de l'augmentation de 2. 10 La structure 4 est de préférence tissée, de sorte au maximum (figure 2), en diamètre de cette enveloppe qu'elle comprend, en plus des fibres des fibres longitudinales 42 qui sont périphériques 41, croisées avec les 15 fibres périphériques direction au moins longitudinal X. Comme le montre peut avantageusement41 et qui s'étendent dans une sensiblement parallèle à l'axe la figure 4, la structure souple 4 comprendre des fils élastiques périphériques 43, s'étendant autour 20 en même temps que chacun de ces fils élastiques 43 de l'axe longitudinal X, s'allongeant les fibres périphériques 41, et ayant donc pour effet, lorsque les fibres périphériques 41 sont déplissées, de rappeler ces fibres 41 vers leur configuration plissée. Pour optimiser leur tenue dans la structure 4, les 25 fils élastiques 43 sont de préférence entrelacés avec les fibres longitudinales 42, comme le sont également les fibres périphériques 41. Par ailleurs, plutôt que de donner à la gaine de contention 3 une forme de chaussette, il peut être 30 judicieux que cette gaine soit constituée par une sangle 5 enroulée en hélice autour de l'enveloppe 2. 2910047 8 En particulier, cette sangle peut être constituée par une sangle élastique à matrice textile dont la structure 4 est celle qu'illustre la figure 4. Plus précisément, la matrice textile de cette 5 sangle 5 comprend donc des fils de chaîne 41 qui constituent les fibres périphériques, des fils de trame 42 qui sont entrelacés avec les fils de chaîne 41 et qui constituent les fibres longitudinales 42, et des fils élastiques 43 qui sont parallèles aux fils de chaîne 41. 10 Il est possible de superposer plusieurs gaines de contention, ou plusieurs niveaux de sangle. Dans le cas de plusieurs niveaux de sangle, les spires des différents niveaux peuvent être enroulées à contre sens (spires à droite sur spires à gauche). 15 Il est également possible de recouvrir la gaine de contention par une gaine externe, par exemple en caoutchouc et/ou par un tube fendu. La fixation, aux deux extrémités du packer, de la gaine de contention éventuellement recouverte par une 20 gaine externe et/ou un tube fendu, peut être réalisée au moyen de bagues venant sertir ces différentes enveloppes autour des deux bagues préexistantes 10 du manchon. Comme le montre la figure 5, ta courbe volume / pression d'un manchon conforme à l'invention (en trait 25 plein) se distingue nettement de la courbe volume / pression d'un manchon classique (en pointillés). Dans un manchon classique, plus la pression interne s'élève, et plus l'accroissement de volume interne devient élevé pour un même accroissement de pression, 30 jusqu'à ce que l'enveloppe 2 éclate (vers 1,75 bars dans l'exemple de la figure 5, qui est relatif à une sonde pressiométrique). 9 2910047 En fait, un manchon conforme à l'invention présente pratiquement le même comportement qu'un manchon classique aussi longtemps que la structure souple de la gaine de contention n'a pas atteint son état de pleine élongation, 5 c'est-à-dire aussi longtemps que les fibres périphériques 41 ne sont pas complètement déplissées. La seule petite différence de comportement observable aux basses pressions entre un manchon connu et le manchon de l'invention, au moins lorsqu'il est doté de 10 fils élastiques 43, réside dans le fait qu'un même volume interne ne peut être obtenu, pour le manchon de l'invention, que moyennant l'application d'une pression légèrement plus forte en raison de la mise en tension de ces fils élastiques 43 présents dans la structure 4. 15 En revanche, dès que les fibres textiles 41 sont mises en tension (à partir d'environ 1,5 bars en l'occurrence), la courbe volume / pression d'un manchon conforme à l'invention inverse sa concavité, de sorte que plus la pression interne Pi s'élève, et plus 20 l'accroissement de volume interne Vi devient faible pour un même accroissement de pression. De plus, la pression interne Pi peut être augmentée de façon importante sans conduire à l'éclatement de l'enveloppe 2. 25 Les raisons de ce comportement peuvent être comprises en observant la figure 6, qui représente la courbe force de traction F / allongement X d'une sangle élastique 5 utilisable pour la réalisation d'un manchon conforme à l'invention. 30 Comme les fils élastiques 43 de la structure 4 de cette sangle 5 ne servent qu'à rappeler les fibres 41 vers leur configuration plissée et n'ont donc pas besoin 2910047 10 de présenter une forte raideur, un allongement de par exemple 70 pourcent peut être obtenu avec une force de traction modérée, en l'occurrence de l'ordre de 4,5 kilogrammes. Néanmoins, il est tout à fait envisageable, pour des applications particulières, d'augmenter la raideur du manchon en utilisant des fils élastiques plus résistants et/ou en augmentant leur nombre. En revanche, dès que les fibres 41 sont en étirement, la résistance à l'allongement de la sangle 5 10 correspond essentiellement à la résistance à l'allongement des fibres 41, de sorte qu'un allongement modéré ne peut être obtenu que par une force de traction de plus en plus élevée, jusqu'à rupture de la sangle, qui n'intervient que pour une force de traction d'autant plus 15 élevée que ces fibres sont résistantes, cette force de traction étant, dans l'exemple illustré à la figure 6, de l'ordre de 200 kilogrammes pour une sangle de 1 centimètre de largeur. En équipant le manchon classique, pris comme 20 référence sur la figure 5, d'une gaine de contention réalisée avec une telle sangle d'une résistance limite de 200Kg, la pression d'éclatement du manchon ainsi équipé passe de 1,75 à 40 bars. Comme le montre la comparaison des deux moitiés de 25 la figure 2, l'invention permet un excellent contrôle de la déformation maximale d'un manchon gonflable, et donc l'élimination des hernies ou des déformations intempestives qui se produisent fréquemment sur les manchons gonflables connus. 30 Comme le montrent les figures 2 et 3, l'invention permet d'imposer au manchon, au voisinage de chacune de ses deux bagues de sertissage 10, un profil en fuseau 11 2910047 avec, au niveau du raccordement sur chaque bague, une section qui reste dans sa forme initiale cylindrique et ne subit aucune dilatation quel que soit le degré de gonflement du manchon (effet obtenu en positionnant, sur 5 cette partie la gaine de contention dans un état de pleine élongation). L'invention permet ainsi de faire disparaître les problèmes de contraintes et de déformations excessives que subissent, lorsqu'ils sont gonflés, les manchons classiques au niveau de leur 10 raccordement aux bagues de sertissage, en raison de la forte courbure qu'ils prennent à ce niveau et qu'illustre la partie supérieure de la figure 2. Par ailleurs, le profil en fuseau que l'invention permet d'obtenir conduit à réduire considérablement 15 l'allongement axial que subit l'enveloppe d'un manchon classique lorsqu'il est gonflé. A titre d'exemple, la longueur développée de l'enveloppe d'un manchon classique représenté sur la moitié supérieure de la figure 3, égale à 100 cm au repos, atteint 106 cm lorsque le diamètre du 20 packer, initialement de 12 cm, atteint 18cm, soit un allongement axial de 6 cm. Pour le même gonflement du packer, avec le profil en fuseau que permet d'imposer l'invention, représenté dans la moitié inférieure de la figure 3, la longueur développée de l'enveloppe est de 25 100,6cm, soit un allongement 10 fois plus faible que celui du manchon classique. En particulier, lorsque le manchon est enserré dans un tube métallique fendu 7 comme illustré à la figure 3, la gaine de contention 3 permet à l'enveloppe 2 de suivre 30 fidèlement la forme externe de ce tube 7, et donc d'éviter la formation de hernies terminales au niveau des bagues 10, et l'apparition de zones décollées 8. 12 2910047 La figure 7 illustre une phase finale d'un procédé susceptible d'être mis en oeuvre, de façon non limitative, pour réaliser un manchon gonflable 6 conforme à l'invention, à partir d'un manchon préalablement fabriqué 5 de façon traditionnelle et comportant un mandrin 1 et une enveloppe gonflable étanche 2. L'opération illustrée est celle qui consiste à enrouler une sangle 5 autour de l'enveloppe gonflable 2 du manchon 6 de manière à contrôler les déformations de 10 ce manchon sous pression. Cette phase finale implique la réalisation préalable d'une maquette 6' à l'échelle un du manchon gonflable, cette maquette présentant un axe longitudinal X' et ayant la forme que devra adopter le manchon 15 gonflable 6 en configuration totalement gonflée. La maquette 6' peut être réalisée en bois, en matière plastique, ou en tout autre matériau suffisamment rigide pour ne pas subir de déformation notable au cours des opérations décrites ci-après. 20 La sangle élastique 5 à matrice textile est d'abord enroulée en hélice, dans son état de pleine élongation, sur la maquette 6'. La différence relative de longueur observable entre la longueur des fils de chaîne 41 de la sangle en état de 25 pleine élongation et la longueur des fils de chaîne à l'état plissé peut typiquement être de l'ordre de plusieurs dizaines à quelques centaines de pourcents. Le manchon gonflable 6 est alors disposé, en configuration de repos, à proximité de la maquette 6'. 30 Comme le montre la figure 7, il est judicieux de faire en sorte que les axes longitudinaux respectifs'X et X' du manchon 6 et de la maquette 6' soient disposés 13 2910047 parallèlement l'un à l'autre, à une distance relativement faible l'un de l'autre, par exemple inférieure à la circonférence du manchon 6. Une extrémité de la sangle 5 enroulée sur la 5 maquette 6' est ensuite fixée sur l'extrémité du manchon 6 qui lui fait face. La maquette 6' et le manchon 6 sont alors mis simultanément en rotation à la même vitesse angulaire autour de leurs axes X et X' respectifs et dans un sens 10 de rotation qui permet de dévider la sangle 5 de la maquette 6' et de l'enrouler simultanément autour du manchon 6. La figure 7 illustre le cas où le sens de rotation de la maquette 6' et du manchon 6 sont les mêmes et où la 15 portion de sangle 5 reliant la maquette 6' au manchon 6 ne traverse pas le plan passant par les axes X et X', auquel cas les sens d'enroulement de la sangle 5 sur la maquette 6' et du manchon 6 sont les mêmes. Il est néanmoins possible de faire tourner la 20 maquette 6' et le manchon 6 en sens inverse l'un de l'autre en faisant passer la portion de sangle 5 reliant la maquette 6' au manchon 6 à travers le plan passant par les axes X et X', auquel cas les sens d'enroulement de la sangle 5 sur la maquette 6' et du manchon 6 sont inverses 25 l'un de l'autre, cette solution ayant l'avantage de permettre de raccourcir au maximum la longueur de la section intermédiaire formée par la sangle déjà déroulée de la maquette 6' et non encore enroulée sur le manchon 6. 30 Quelle que soit la solution. adoptée, l'état d'allongement de la sangle 5 sur le manchon 6, pour chacune des spires de cette sangle, est alors tel que, 14 2910047 lors du futur gonflement de l'enveloppe 2 de ce manchon, le diamètre maximum que pourra atteindre cette enveloppe au niveau de cette spire sera égal au diamètre de la maquette 6' à ce même niveau, si bien que la géométrie de 5 l'enveloppe 2 du manchon 6 à son gonflement maximum sera identique à celle de la maquette 6'. 15 REVENDICATIONS . 1. Manchon gonflable ou "packer" comprenant un mandrin (1) s'étendant suivant un axe longitudinal (X) et une enveloppe (2) gonflable étanche liée au mandrin (1) et adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une gaine de contention (3) recouvrant l'enveloppe gonflable (2) et incluant une structure souple (4) au moins partiellement formée de fibres (41, 42) sensiblement inextensibles, en ce que ces fibres (41, 42) comprennent au moins des fibres périphériques (41) dont chacune s'étend autour de l'axe longitudinal (X), et en ce que ces fibres périphériques (41) adoptent une configuration plissée pour la configuration de repos de l'enveloppe (2) et une configuration étirée pour la configuration de gonflage maximum de l'enveloppe (2). 2. Manchon gonflable suivant 1a revendication 1, caractérisé en ce que la structure souple comprend en outre des fibres longitudinales (42), croisées avec les fibres périphériques (41) et s'étendant dans une direction au moins sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (X). 3. Manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites fibres sensiblement inextensibles (41, 42) sont des fibres textiles. 4. Manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure souple (4) comprend en outre des fils 16 2910047 élastiques périphériques (43) dont chacun s'étend autour de l'axe longitudinal (X) et sollicite les fibres périphériques (41) en configuration étirée vers leur configuration plissée. 5 5. Manchon gonflable suivant :es revendications 2 et 4, caractérisé en ce que les fils élastiques (43) sont entrelacés avec les fibres longitudinales (42). 6. Manchon gonflable suivant 1_'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la 10 structure souple (4) appartient à une sangle élastique (5) à matrice textile enroulée en hélice autour de l'enveloppe (2). 7. Manchon gonflable suivant l'ensemble des revendications précédentes, caractérisé en ce que la 15 matrice textile de la sangle (5) comprend des fils de chaîne (41) constituant lesdites fibres périphériques (41), des fils de trame (42) entrelacés avec les fils de chaîne (41) et constituant les fibres longitudinales (42), et des fils élastiques (43) au moins sensiblement 20 parallèles aux fils de chaîne (41). 8. Application d'un manchon gonflable suivant l'une quelconque des revendications précédentes à la réalisation d'une sonde de pressiomètre. 9. Procédé de fabrication d'un manchon gonflable 25 (6) comprenant un mandrin (1) s'étendant suivant un axe longitudinal (X) et une enveloppe gonflable étanche (2) adoptant sélectivement une configuration de repos ou une configuration de gonflage maximum, ce procédé comprenant au moins des étapes de réalisation du mandrin (1), de 30 réalisation de l'enveloppe (2) et de montage de l'enveloppe (2) sur le mandrin (1), caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : 17 2910047 - fabriquer une maquette à échelle un (6') du manchon gonflable (6), ayant la forme souhaitée pour le manchon gonflable (6) en configuration totalement gonflée et présentant un axe longitudinal (X'); 5 - enrouler en hélice, dans son état de pleine élongation, une sangle élastique (5) à matrice textile sur la maquette (6'); - disposer le manchon gonflable (6) en configuration de repos à proximité de la maquette (6'); et 10 - dérouler la sangle (5) de la maquette (6') pour l'enrouler simultanément sur le manchon gonflable (6) en faisant tourner simultanément la maquette (6') et le manchon gonflable (6) à une même vitesse angulaire autour de leurs axes longitudinaux respectifs (X, X'). 15 10. Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les axes longitudinaux respectifs (X, X') du manchon (6) et de la maquette (6') sont disposés parallèlement l'un à l'autre à une distance au plus égale à la circonférence du manchon (6), et en ce que le 20 manchon (6) et la maquette (6') sont entraînés en rotation en sens inverse ou dans le même sens selon que la portion de sangle (5) reliant la maquette (6') au manchon (6) traverse ou non le plan ;passant par lesdits axes longitudinaux (X, X'). 25