Brevet FR2934634A1 — publié le 20100205

i La présente invention se rapporte à un dispositif de pose d'une chemise expansible dans un puits ou dans une canalisation, avec contrôle du diamètre de pose à l'avancement. Ce dispositif s'applique au chemisage d'un puits ou d'une 5 canalisation, par exemple d'un cuvelage, présentant une portion à traiter afin de la rendre étanche, notamment pour la réparer et/ou la boucher. L'invention s'applique notamment au domaine de la production d'eau ou de pétrole. Par exemple, dans le domaine de la production d'eau, les puits de 10 captage d'eau forés dans le sol comportent généralement une chemise continue, ou cuvelage, réalisée par une succession de tubes cylindriques en acier de relativement faible longueur (de l'ordre de 6 m à 12 m par exemple) soudés bout à bout les uns aux autres. Le cuvelage, une fois cimenté contre la paroi naturelle du puits permet d'obtenir une étanchéité sur toute la hauteur du puits, afin d'éviter toute 15 contamination entre les diverses couches de terrain. Au fil du temps, il arrive qu'une portion, voire la totalité de la paroi du cuvelage doive être étanchéifiée, notamment lorsqu'elle a été dégradée, par exemple par usure prématurée et/ou corrosion, ou lorsque les perforations destinées au passage de l'eau doivent être bouchées, en particulier parce qu'elles produisent 20 des fluides indésirables pouvant pénétrer à l'intérieur du cuvelage. A cet effet, il est connu de positionner à l'intérieur du cuvelage une chemise de diamètre légèrement inférieur, appelée patch, ayant la longueur voulue. Le patch vient recouvrir la zone à étanchéifier. Il est fixé contre la face interne du cuvelage, soit par cimentation, 25 soit par expansion radiale qui fait fluer la matière au-delà de sa limite de déformation élastique, de sorte que la surface extérieure du patch se plaque et s'applique intimement contre la surface interne du cuvelage. Cette expansion est généralement réalisée à l'aide d'un outil expanseur appelé � cône �, rigide, tel qu'un mandrin (éventuellement rotatif) à 30 galets ou à doigts périphériques pouvant être déplacés radialement vers l'extérieur, soit au moyen d'un outil du genre vessie gonflable appelée � packer �, à membrane tubulaire souple et élastiquement déformable (en caoutchouc ou en matière élastomère). L'état de la technique en la matière peut être illustré par le document technique du 30 juin 2000, de la Société australienne IPI (Inflatable Packers International Pty Ltd) intitulé � Slim-line Re-lining �, ainsi que par la demande de brevet EP- A 1 657 365. Le dispositif travaille � pas à pas �, avec des phases successives de gonflage du packer, provoquant l'expansion d'un tronçon du patch, de dégonflage, de déplacement axial du packer dégonflé de la longueur d'un pas, de nouveau gonflage provoquant l'expansion du tronçon suivant du patch, et ainsi de suite sur toute la longueur du patch. L'outil dégonflé est ensuite retiré axialement. La présente invention a pour principal objectif d'améliorer la technique antérieure à l'aide d'un dispositif qui permet de réaliser un travail de qualité, c'est-à-dire en empêchant l'avance de l'outil dès lors que la phase d'expansion précédente n'a pas été réalisée correctement (expansion incomplète ou irrégulière du patch). Un objectif secondaire de l'invention est de pouvoir faire descendre et positionner le patch dans le puits ou dans la canalisation, en regard de la zone à traiter, alors que le packer est dégonflé (ou faiblement gonflé). Selon les techniques connues, le patch est retenu par friction au moyen du packer prégonflé, au cours de sa mise en place. La membrane du packer doit par conséquent en supporter le poids au cours de sa descente dans le puits. Or ce poids est relativement élevé. A titre indicatif, un patch cylindrique en acier de 12 mètres de long, ayant diamètre extérieur de 200 mm et une épaisseur de paroi de 4 mm, possède une 25 masse de l'ordre de 250 kg. Sa retenue par le packer induit donc sur la membrane de celui-ci un effort axial non négligeable, qui oblige à prévoir une structure adaptée et coûteuse, alors que le packer est essentiellement conçu pour développer des efforts radiaux, et non pour supporter des efforts axiaux. 30 Un objectif de l'invention est donc de proposer un dispositif permettant de supporter le patch au cours de sa descente et de son positionnement axial dans le puits ou la canalisation indépendamment du packer, la fonction assignée à ce dernier se limitant ainsi à l'expansion radiale du patch, une fois que ce positionnement a été réalisé. 35 En revanche, il faut pouvoir retirer également ce dispositif de support en cas de problème, même si ces moyens sont situés en dessous du patch. Il est important en effet qu'aucun élément mécanique ne tombe au fond du puits ou ne reste coincé sous ou à l'intérieur du patch, car cela risquerait de contrarier des opérations ultérieures et/ou compromettre une bonne exploitation du puits. Ainsi, la présente invention se rapporte à un dispositif de pose d'une chemise expansible dans un puits ou dans une canalisation, par exemple d'un cuvelage, présentant une portion à réparer et/ou à boucher, au moyen d'une chemise tubulaire - ou patch - métallique dont le diamètre initial est inférieur à celui du puits ou de la canalisation, et qui est déformable par expansion radiale au-delà de sa limite élastique de sorte qu'elle peut être appliquée fermement et intimement contre la paroi du puits ou de la canalisation, ce dispositif comportant un outil expanseur axialement déplaçable à l'intérieur du patch, d'une extrémité à l'autre de celui-ci, et apte à provoquer progressivement l'expansion radiale du patch sur toute sa longueur. Il est remarquable en ce qu'il est pourvu d'un élément de contrôle qui est monté à proximité de l'outil expanseur, juste en arrière de celui-ci si on considère le sens de son déplacement, et dont la section est calibrée de telle sorte que l'élément de contrôle est capable de passer librement à l'intérieur du patch lorsque celui-ci est correctement expansé, accompagnant dans ce cas l'avance de l'outil, tandis qu'au contraire il est incapable de passer à l'intérieur du patch lorsque celui-ci est incorrectement expansé, ce qui bloque alors l'avance de l'outil. Ainsi, en cas d'interruption de la progression de l'élément de contrôle, l'opérateur est immédiatement informé du problème, et peut prendre des mesures adaptées à la situation, au lieu de continuer à travailler de manière incorrecte. Il procédera par exemple à une remontée de l'outil expanseur d'un pas ou deux, et provoquera ensuite à nouveau l'expansion pour � ré-expanser � la zone formant blocage. Si le dysfonctionnement se poursuit, on peut procéder au retrait du 30 dispositif pour le contrôler. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - ledit élément de contrôle a une forme générale discoïde, conique ou biconique, de diamètre maximal 1 calibré ; - ledit diamètre 1 est supérieur au diamètre intérieur initial du patch, 35 et légèrement inférieur au diamètre intérieur du patch expansé ; - ledit élément de contrôle est traversé par des ouvertures antipistonnage, préférentiellement dirigées axialement ; - ledit élément de contrôle a un diamètre variable, et peut être rétracté radialement de façon à pouvoir passer à travers une portion non expansée du patch 5 lorsque cela est nécessaire ; - l'outil expanseur est une vessie gonflable ou "packer"; - ledit packer travaille au � pas à pas �, avec des phases successives de gonflage/dégonflage/avance ; - ledit packer comporte un organe de support coopérant avec le chant 10 distal du patch, afin de le supporter au cours de sa mise en place ; - ledit organe de support assure aussi le centrage de la portion d'extrémité distale du patch ; - ledit organe de support est muni de doigts d'appui rétractables, dont l'escamotage autorise son passage dans le patch, même dans sa partie non encore 15 expansée; - ledit organe est relié au packer par un système de liaison apte à provoquer l'escamotage des doigts lorsqu'il est soumis à un effort de traction qui dépasse un seuil donné ; - ledit système de liaison comporte des pions frangibles, à résistance 20 mécanique calibrée ; - ledit élément de contrôle, ledit packer et ledit organe de support sont portés par une tige de manoeuvre commune. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation. 25 Cette description sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale longitudinale du dispositif inséré dans un puits, avant commencement de l'opération de chemisage ; - la figure 2 est une vue analogue à la précédente, le dispositif étant 30 en cours d'opération de chemisage ; - la figure 3 est une vue de détail, en coupe longitudinale axiale, de l'organe de support du patch, avec ses doigts en position active ; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 3, les doigts étant en position escamotée, et le dispositif en cours de retrait. 35 Sur la figure 1 annexée, la référence C désigne la paroi d'un puits ou d'une canalisation, qui est ici vertical. Cette situation n'est pas obligée : le puits (ou la canalisation) pourrait être oblique, voire horizontal, et pas forcément rectiligne. Dans l'ensemble de la demande de brevet, on utilisera le terme "proximal" pour désigner le côté "tête" de puits - c'est-à-dire en direction de son 5 ouverture - et le terme "distal" pour désigner le côté "fond" de puits. La paroi C est cylindrique, de diamètre D. La référence 1 désigne une chemise expansible - ou patch -, qui est un tube cylindrique en métal, notamment en acier, de diamètre extérieur cl et d'épaisseur de paroi e. 10 Le métal doit être à la fois résistant (mécaniquement et à la corrosion) et suffisamment ductile pour pouvoir être convenablement expansé. La référence 2 désigne un outil expanseur (packer), qui est ici une vessie cylindrique gonflable, à embouts d'extrémité distal 3a et proximal 3b. Ces embouts ferment et retiennent les extrémités de la membrane gonflable. 15 Le packer 2 est porté par une tige de manoeuvre tubulaire 4. Il est alimenté de façon connue en liquide hydraulique à pression élevée, compatible avec le degré de déformation requis (qui dépend essentiellement de la qualité du métal du patch, de son épaisseur de paroi, et de la différence D ù Ll). L'un au moins des embouts, de préférence l'embout distal 3a, est 20 mobile, pouvant coulisser librement sur la tige 4. Ainsi, il peut se rapprocher de l'embout proximal 3b pour s'accommoder au raccourcissement axial du packer lorsqu'il est gonflé. Juste au dessus de l'embout 3b est monté un élément de contrôle 5, également porté par la tige 4, et immobilisé sur cette tige. 25 Il a la forme d'un disque horizontal, ayant de préférence des faces biseautées et/ou un bord arrondi, aptes à faciliter sa pénétration et son glissement dans le patch expansé. Il est traversé par plusieurs ouvertures axiales 50 destinées à empêcher l'effet de �pistonnage �, qui serait susceptible de contrarier son 30 déplacement si le puits contient un liquide. Selon une caractéristique de l'invention, son diamètre maximal 1 est supérieur au diamètre d initial du patch et très légèrement inférieur au diamètre intérieur D ù 2 e du patch expansé. La référence 6 désigne l'organe de support du patch 1. 35 Celui-ci est monté à l'extrémité distale de la tige 4 par l'intermédiaire d'un système de liaison spécifique 40, symbolisé par un rectangle avec ses diagonales, et dont le fonctionnement sera décrit plus loin, en référence aux figures 3 et 4. L'organe de support 6 est muni d'une série de doigts radiaux 7 servant d'appui au chant inférieur du patch. Il présente une paroi extérieure cylindrique 60 dont le diamètre correspond, avec un léger jeu, au diamètre intérieur (dû2e) dupatch 1. Ainsi l'organe 6 assure le centrage du patch 1 suivant l'axe longitudinal du puits ou de la canalisation, en même temps qu'il le supporte au moyen des doigts 7. Ceci est intéressant lors de la mise en place, de haut en bas, du dispositif avec son patch à l'intérieur du puits ou de la canalisation. En effet, comme on le comprend à l'observation de la figure 1, la descente de cet ensemble peut se faire alors que le packer 2 est dégonflé, sans que sa membrane ne soit en contact avec la surface interne du patch ; ce sont les doigts 7 qui soutiennent seuls le poids de ce dernier. Dans certains cas, il peut être intéressant néanmoins de gonfler légèrement le packer afin d'assurer une bonne immobilisation du patch par rapport au dispositif de pose. Lorsque l'ensemble a été convenablement positionné en regard de la portion de paroi C, on procède de façon connue à la déformation du patch 1, par expansion radiale, en travaillant pas-à-pas et du haut vers le bas, avec des phases successives de gonflage/dégonflage/avance du packer, comme expliqué plus haut. Dès la première étape, la portion supérieure du patch étant expansée et appliquée fermement contre la paroi C, le patch se trouve naturellement retenu et suspendu à ce niveau, si bien que la descente ultérieure des moyens de support 6/7, qui se déplacent vers le bas en même temps que la tige 4 qui les porte, se dégageant donc du bord inférieur du patch-, ne constitue pas un problème. Au cours des différentes phases successives de travail, de haut en bas, l'élément de contrôle discoïde 5 pénètre avec un faible jeu à l'intérieur de la portion 10 du patch 1 qui vient d'être expansée, car son diamètre est calibré pour cela. On le comprend à l'observation de la figure 2. En revanche, si l'évasement de cette portion est irrégulière (non circulaire) ou insuffisante, l'élément 6 ne peut pas passer, et la progression du dispositif se trouve par conséquent bloquée. Ceci dénote généralement un problème de fonctionnement du dispositif de pose. Dans ces conditions, il peut être souhaitable alors retirer ce dispositif (le packer étant dégonflé), en vue de le réparer ou de le remplacer. Mais l'opérateur procédera préalablement et de manière préférée à une remontée de l'outil sur un pas ou deux et provoquera ensuite à nouveau 5 l'expansion pour � ré-expanser � la zone formant blocage. En cas de retrait, celui-ci se fait par fraction vers le haut sur la tige 4. Mais cela implique que l'organe de support 6 puisse aussi remonter, en traversant la portion 11 du patch 1 qui n'a pas encore été expansée. Cela suppose donc un escamotage des doigts 7 car ceux-ci s'inscrivent dans une enveloppe de 10 cercle dont le diamètre est égal à cl, ou voisin de cl, supérieur donc au diamètre intérieur cl û 2 e de cette portion 11. Les figures 3 et 4 représentent un agencement permettant de parvenir à ce résultat. L'organe 6 est un corps massif à paroi cylindrique 60 et à faces 15 distale 60a et proximale 60b tronconiques (formant chanfreins aptes à faciliter le positionnement et à limiter les frottements). Il renferme une série de doigts radiaux 7 régulièrement répartis et mobiles selon leur propre axe (perpendiculairement donc à l'axe du corps cylindrique). Il y a par exemple quatre doigts disposés à 90° d'angle, ou six doigts disposés à 60°. 20 Ces doigts sont logés dans des trous récepteurs 62 ad hoc, formés dans le corps 6. Ce sont des tiges à tête bombée 71 (située vers l'intérieur du corps 6) et à extrémité tronconique 70, qui fait normalement saillie à l'extérieur du corps 6, afin de retenir le chant inférieur du patch, comme illustré sur la figure 3. C'est la paroi cylindrique de la tige 4, dont le diamètre est adapté à cela, qui maintient 25 normalement et positivement l'ensemble des doigts 7 dans cette position saillante, ceci à l'encontre de petits ressorts de rappel 70 qui, agissant contre les têtes 71, tendent au contraire à les repousser à l'intérieur du corps 6 afin de les réfracter. On notera d'ores et déjà que la tige 4 possède une portion d'extrémité basse (distale) 9 de diamètre plus petit que celle de sa partie principale 30 qui maintient les doigts dans leur position active de la figure 3, la différence des deux diamètres étant légèrement supérieure à 2 e. En position de repos (Figure 3), les têtes 71 sont en appui contre la portion de tige 4 de plus grand diamètre, mais juste au-dessus de la zone de transition avec cette portion 9 de diamètre réduit. La tige 4 possède une collerette annulaire 41 qui fait office 35 d'épaulement pour la base de la face proximale (supérieure) tronconique 60b du corps 6. Les efforts de poussée axiale exercés sur la tige 4 sont ainsi transmis au corps 6 de haut en bas via cette zone d'appui. La tige 4 possède une autre collerette annulaire 43 située plus bas que la première (41) dans un logement cylindrique 61 ménagé axialement à 5 l'intérieur du corps 6. La portion de tige 4 située entre les collerettes 41 et 43 porte la référence 42. Cette collerette 43 est percée de petits alésages radiaux 63, par exemple au nombre de deux, diamétralement opposés (donc coaxiaux) ûou de 10 quatre répartis à 90°-. Dans chaque alésage 43 est logé un pion métallique 8 sous forme de petite tige pourvue d'une tête, qui est enfoncée à fond dans un alésage situé en vis-à-vis, percé dans le corps 6. La tige de ces pions 8 a une section calibrée, de façon à résister à un effort de cisaillement donné, et à se rompre lorsque au-delà de cette valeur (pions 15 frangibles). Le logement 61 possède une certaine longueur axiale dans laquelle peut se déplacer la collerette 43, de bas en haut, lorsque lesdits pions sont sectionnés, jusqu'à venir en butée contre le fond supérieur 610 de ce logement 61. En position normale de repos (Figure 3), la collerette 43 se trouve en 20 appui, au contraire, contre le fond inférieur 611 du logement 61. Il est à noter que la longueur de la portion d'extrémité 9 de la tige 4 est un peu plus grande que la longueur de course axiale de la collerette 43 dans le logement 61. Ce dispositif fonctionne comme suit. 25 En cours d'opération, le dispositif se trouve dans l'état de la figure 3 (doigts 7 actifs), adapté pour supporter le patch au cours de sa descente à l'intérieur du puits ou de la canalisation. Les efforts de poussée de haut en bas sur la tige de manoeuvre 4 sont directement transmis à l'organe de support 6 par la collerette 41. 30 Les pions frangibles possèdent une résistance suffisante pour ne pas se rompre s'il se développe en cours de travail des efforts de traction intempestifs, pouvant être liés par exemple à des phénomènes vibratoires ou à la poussée d'Archimède susceptible de s'exercer sur l'organe 6 (si le puits ou la canalisation contient du liquide). En cas de difficulté telle que mentionnée plus haut, alors que le patch n'est que partiellement expansé, le retrait du dispositif se fait par traction de bas en haut sur la tige 4, traction symbolisée par la flèche F sur la figure 4. Le corps 6 remonte donc, jusqu'à ce que ses doigts 7, qui sont en 5 position saillante, viennent en contact avec le chant inférieur de la portion non expansée 11 du patch. La remontée est donc bloquée, induisant au niveau des pions 8 des efforts suffisants pour les cisailler à la base de leur tête 8' - qui reste dans le corps 6 -. 10 La tige de manoeuvre 4 se trouve ainsi désolidarisée de ce corps 6, et peut remonter tandis que le corps 6 demeure immobilisé, par suite de la venue en butée des doigts 7 contre le bord inférieur du patch. La collerette 43, qui contient les tiges 8" des pions sectionnés, se meut ainsi axialement de bas en haut à l'intérieur du logement 61, jusqu'à venir en 15 butée contre la face 610. Au cours de ce mouvement, la portion d'extrémité de faible diamètre 9 est venue en regard des doigts 7 qui ont ainsi été repoussés vers l'intérieur (flèches j) sous la sollicitation des ressorts 70, et se sont rétractés dans une position escamotée qui s'inscrit dans une section circulaire de diamètre inférieur au diamètre 20 interne de la portion non expansée 11 du patch. Ainsi le passage devient possible, et l'ensemble peut être retiré. L'organe de support n'est pas strictement nécessaire. On peut s'en passer dès lors que le packer est adapté pour en soutenir le poids au cours de la descente, ou lorsqu'on travaille dans un puits horizontal ou 25 faiblement incliné dans lequel ce problème de poids ne se pose pas (ou n'est pas crucial). Pour ce qui est du sens de progression du packer dans le puits "vertical" illustré sur les figures, il y a deux solutions : - soit du haut vers le bas, par poussée sur la tige qui porte le packer; 30 - soit du bas vers le haut, par traction sur cette tige. Cependant, c'est la première solution (déplacement du haut vers le bas) qui est préférée. Celle-ci présente l'intérêt que l'outil peut être facilement retiré en cas de problème survenant au cours de la pose du patch, notamment en cas d'éclatement 35 ou de déformation inopinée du packer. En effet, comme c'est la portion supérieure du patch qui est expansée, l'outil peut ressortir de cette portion élargie plus Io aisément qu' à travers une portion non expansée (ce qui serait le cas si on travaillait du haut vers le bas). A titre purement indicatif, on a ci-après des valeurs préférées de certains paramètres selon l'invention : Diamètres D = 165 mm ; cl = 140mm; Longueur du patch = 12 m ; Epaisseure=6mm; Longueur utile du packer (= longueur d'un pas) = 1 m ; Pression développée dans le packer pour expanser le patch = 500 bar ; Force de traction axiale provoquant la rupture des pions frangibles = 1 tonne. REVENDICATIONS1. Dispositif de pose d'une chemise expansible dans un puits ou dans une canalisation, par exemple d'un cuvelage, présentant une portion à réparer et/ou à boucher, au moyen d'une chemise tubulaire - ou patch - métallique (1) dont le diamètre initial est inférieur à celui du puits ou de la canalisation, et qui est déformable par expansion radiale au-delà de sa limite élastique de sorte qu'elle peut être appliquée fermement et intimement contre la paroi (C) du puits ou de la canalisation, ce dispositif comportant un outil expanseur (2) axialement déplaçable à l'intérieur du patch (1), d'une extrémité à l'autre de celui-ci, et apte à provoquer progressivement l'expansion radiale du patch (1) sur toute sa longueur, caractérisé par le fait qu'il est pourvu d'un élément de contrôle (5) qui est monté à proximité de l'outil expanseur (2), juste en arrière de celui-ci si on considère le sens de son déplacement, et dont la section est calibrée de telle sorte que l'élément de contrôle (5) est capable de passer librement à l'intérieur du patch (1) lorsque celui-ci est correctement expansé, accompagnant dans ce cas l'avance de l'outil (2), tandis qu'au contraire il est incapable de passer à l'intérieur du patch (1) lorsque celui-ci est incorrectement expansé, ce qui bloque alors l'avance de l'outil. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément de contrôle (5) a une forme générale discoïde, conique ou biconique, de diamètre maximal 1 calibré. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit diamètre 1 est supérieur au diamètre intérieur initial du patch (1), et légèrement inférieur au diamètre intérieur du patch (1) expansé. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit élément de contrôle (5) est traversé par des ouvertures anti-pistonnage 25 (50), préférentiellement dirigées axialement. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit élément de contrôle (5) a un diamètre variable, et peut être rétracté radialement de façon à pouvoir passer à travers une portion non expansée du patch (1) lorsque cela est nécessaire. 30 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'outil expanseur est une vessie gonflable ou "packer" (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le ledit packer (2) travaille au � pas à pas �, avec des phases successives de gonflage/dégonflage/avance. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait ledit packer (2) comporte un organe de support (6) coopérant avec le chant distal du patch (1), afin de le supporter au cours de sa mise en place. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit organe de support (6) assure aussi le centrage de la portion d'extrémité distale du patch (1). 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que ledit organe de support (6) est muni de doigts d'appui rétractables (7), dont l'escamotage autorise son passage dans le patch (1), même dans sa partie non encore expansée (11). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé par le fait que ledit organe de support (6) est relié au packer (2) par un système de liaison (40) apte à provoquer l'escamotage des doigts (7) lorsqu'il est soumis à un effort de traction qui dépasse un seuil donné. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que ledit système de liaison (40) comporte des pions frangibles (8), à résistance 20 mécanique calibrée. 13. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 12, caractérisé par le fait que ledit élément de contrôle (5), ledit packer (2) et ledit organe de support (6) sont portés par une tige de manoeuvre commune (4).