Brevet FR2989412A1 — publié le 20131018

La présente invention se situe dans le domaine du forage. Elle a plus particulièrement trait à un tubage métallique destiné 5 à être disposé à l'intérieur d'un puits de production d'un fluide d'intérêt. Ce tubage de production est appelé "conduite" dans le reste du document. Cette invention s'applique notamment mais non exclusivement au tubage d'un puits horizontal. Cette configuration de puits s'est généralisée ces dernières 10 années, grâce aux nouvelles techniques d'extraction. Un puits horizontal permet, entre autres, d'augmenter considérablement la longueur productive et donc la surface de contact avec la formation géologique dans laquelle du gaz, et/ou du pétrole est présent dans une roche mère. 15 Dans une telle configuration horizontale, il est techniquement difficile de tuber et de cimenter l'espace annulaire entre la conduite en position horizontale et la paroi intérieure du puits. Cette technique de cimentation, utilisée dans la majorité des puits verticaux ou à faible déviation, permet de garantir l'étanchéité entre les différentes zones 20 géologiques. L'exploitation de puits horizontaux, que ce soit pour des besoins de stimulation ou de contrôle des flux, nécessite de pouvoir isoler certaines zones au sein même de la formation. Une conduite est ainsi descendue dans le puits avec des 25 dispositifs d'isolation à sa périphérie, espacés de manière prédéterminée. En termes anglais, on parle de "zonal isolation packers". Entre ces dispositifs d'isolation, la conduite dispose souvent de ports ouverts ou fermés à la demande qui autorisent la communication entre la conduite et la zone isolée du puits. 30 Dans cet environnement de complétion horizontale, la fracturation hydraulique est une technique de fissuration de la roche dans laquelle la conduite est disposée horizontalement. On procède à une fissuration par injection d'un liquide sous pression. Cette technique rend possible l'extraction de pétrole ou de gaz 35 contenus dans des roches très compactes et très imperméables. La figure 1 est une vue simplifiée en coupe d'une conduite qui s'étend dans un puits préalablement préparé. La description de cette figure a simplement pour but d'expliquer comment on utilise jusqu'ici des conduites pourvues de tels 5 dispositifs d'isolation de zone. Dans le sol S a été préalablement creusé un puits A dont la paroi est référencée Al. A l'intérieur de ce puits a été mise en place une conduite 1 qui est représenté partiellement ici. 10 Le long de sa paroi, cette conduite présente, à distance régulière, des dispositifs d'isolation 2. Ici, seuls deux dispositifs 2 dénommés N et N-1 sont représentés dans un seul souci de simplification. Dans la pratique, il existe un nombre supérieur et très important de tels dispositifs le long de la conduite. De manière connue, 15 chaque dispositif est constitué d'une chemise métallique tubulaire 20 dont les extrémités opposées sont rendues solidaires, directement ou indirectement, de la face externe de la conduite par des bagues ou jupes de renfort 6. Une pression PO règne dans le puits. 20 A l'origine, les chemises métalliques 20, non déformées, s'étendent sensiblement dans le prolongement des bagues 6. L'extrémité distale de la conduite comporte de préférence un port non représenté qui est initialement ouvert lors de la descente de la conduite dans le puits de manière à permettre une circulation de fluide 25 d'amont en aval à la pression P0. Ce port est préférentiellement obturé à l'aide d'une bille qui se place dans et obture ce port, ce qui permet d'augmenter la pression dans la conduite. Un premier fluide sous pression PI supérieure à PO est alors envoyé à l'intérieur de la conduite et celui-ci s'introduit par des 30 ouvertures 10 disposées en regard des chemises 20 sur l'ensemble de la conduite de manière à faire se déformer les chemises métalliques et adopter la position de la figure 1 dans laquelle leur partie intermédiaire centrale est appliquée contre la paroi Al du puits. Bien entendu, le matériau de la chemise et la pression sont 35 choisis de manière à ce que le métal se déforme au-delà de sa limite élastique. 2 9 8 9 4 12 3 Un dispositif non représenté permet de libérer une ouverture située à l'extrémité distale de la conduite lorsque la pression P1 est légèrement augmentée. La pression au niveau de l'ouverture passe de P1 à PO et une circulation est alors possible dans la conduite de l'amont vers l'aval du puits. Ensuite, une autre bille 5 est envoyée à l'intérieur de la conduite et vient se placer dans un siège coulissant 4 situé sensiblement à une mi-distance entre les deux dispositifs d'isolation N et N-1. Originellement, le siège 4 se situe juste en regard des ouvertures 3 précitées et les obture. Sous l'effet du déplacement de la bille, le siège 4 est obturé et se déplace, dégageant ainsi les ouvertures 3. On injecte alors à l'intérieur de la conduite un fluide de fracturation sous très haute pression. Ce fluide, sous pression P2, s'introduit dans le dispositif ainsi 15 que dans l'espace annulaire B qui sépare les dispositifs. En revanche, la pression qui règne à l'intérieur du dispositif N1 revient à la pression initiale du puits, c'est-à-dire à la pression P0. La fixation des chemises précitées, et plus généralement de tout équipement sur la paroi de la conduite 1 est particulièrement 20 importante. Par exemple, lors d'opérations de fracturation parfois effectuées à plus de 1000 bar (15 000 psi), les forces axiales exercées dans sur un dispositif d'isolation de zone peut atteindre plus de 100 tonnes. Ces forces sont simplement dues à la pression appliquée dans l'espace 25 l'annulaire B défini par l'extérieur de la conduite 1 et la paroi intérieure du puits A. Les conduites sont souvent dimensionnées, qualifiées e t certifiées pour les conditions du puits. Le diamètre, la masse linéique et le matériau sont définis par l'opérateur en fonction des valeurs de pression 30 interne et externe, du débit, de la température, de la présence d'un agent corrosif, etc. Il est alors préférable d'utiliser des conduites d'un même type sur toute la longueur de la complétion, plutôt que d'y insérer un segment de fabrication différente. 35 Or, l'utilisation de conduites standards pose plusieurs contraintes, notamment si la fixation doit être réalisée de manière étanche. 2 9 894 12 4 En premier lieu, les conduites sont souvent fabriquées par laminage, de sorte que les tolérances géométriques et la qualité de surface ne permettent pas, par exemple, l'utilisation de joints d'étanchéité. Il est alors envisageable d'usiner la conduite sur toute sa 5 longueur pour corriger des défauts de forme et de qualité de surface. Cependant, hormis son coût, une telle opération rendrait obsolète la qualification du produit. Une seconde option pour la fixation étanche de systèmes métalliques sur l'extérieur de conduites consiste à utiliser le soudage. 10 Or, les matériaux utilisés pour les conduites peuvent présenter des compositions chimiques très différentes (L80, P110...). Il est donc difficile d'utiliser le soudage dont la tenue mécanique est extrêmement dépendante de la nature des matériaux. Les contraintes générées par le soudage dans la conduite 15 imposeraient également une requalification de ce dernier, c'est- à-dire la mise en oeuvre de nouveaux tests longs et onéreux. Dans le cas où la fixation ne doit pas être étanche, il est possible de percer des trous non débouchants radiaux dans la conduite puis d'y insérer une vis (ou équivalent). 20 Cette situation est représentée à la figure 2, dans laquelle cette vis est référencée 7. Cette méthode impose l'usinage de la conduite 1 de base et donc probablement sa requalification. De plus, afin de pouvoir supporter un effort axial important F, l'utilisation de plusieurs vis est indispensable. Toute 25 les vis doivent alors être en appui en même temps sur la conduite afin de maximiser l'effort axial retenu, ce qui impose des usinages précis et coûteux. L'invention a pour but de pallier ces inconvénients. Le système proposé utilise une conduite standard dont la 30 surface a éventuellement été nettoyée et/ou polie, sans enlèvement de métal. Ces opérations, uniquement superficielles, n'invalident pas la qualification initiale des conduites. Ainsi, la présente invention se rapporte à une conduite métallique destinée à être disposée à l'intérieur d'un puits de production 35 d'un fluide d'intérêt, conduite sur la face extérieure de laquelle est serti un élément métallique tubulaire, caractérisée par le fait que : - la face interne dudit élément tubulaire présente une gorge annulaire dans laquelle est engagée une bague d'ancrage métallique, ou une paire de bagues d'ancrage juxtaposées ; - chaque bague d'ancrage consiste en un anneau fendu transversalement au moins partiellement, est pourvue sur sa face interne d'organes saillants d'ancrage, et présente, en coupe transversale, une base pourvue desdits organes saillants et au moins un flanc formant un angle aigu avec ladite base ; - la gorge annulaire présente un profil sensiblement 10 complémentaire de celui de la bague ou de la paire de bagues ; - la profondeur de la gorge étant inférieure à l'épaisseur de la bague ou des bagues ; de sorte que lesdits organes saillants sont au moins partiellement engagés dans ladite conduite, après sertissage de l'élément métallique sur la 15 conduite. On connaît par le document US 6 513 600 une structure de chemise expansible dont la face externe est pourvue d'au moins une bague est conformée, lorsque la chemise est déformée, de telle manière à ce qu'elle vienne s'ancrer dans la paroi du puits. 20 La présente invention reprend ce principe d'ancrage, mais dans un autre contexte d'application et en lui conférant d'autres fonctions. Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l'invention : - une seule bague est engagée dans la gorge et comporte 25 une fente traversante ; par ailleurs cette bague comporte un second flanc, et les deux flancs se rejoignent, de sorte que la bague affecte, en coupe transversale, la forme générale d'un triangle ; - une seule bague est engagée dans la gorge et comporte une fente traversante ; par ailleurs, cette bague comporte un second flanc, 30 et les deux flancs sont séparés l'un de l'autre par une face sensiblement parallèle à ladite base, de sorte que la bague affecte, en coupe transversale, la forme générale d'un trapèze ; - lesdits angles aigus sont égaux, de sorte que ladite bague affecte, en coupe, une forme de symétrie ; 35 - deux bagues sont juxtaposées et elles comportent plusieurs fentes transversales partielles ; - la bague ou la paire de bagues présente à leur périphérie un profil formant moyen d'étanchéité par contact métal/métal ; - ledit profil a la forme d'un "C" ; - ledit profil a la forme d'une lèvre au moins partiellement 5 deformable ; - lesdits organes saillants consistent en une série de nervures parallèles circonférentielles, séparées par des rainures de forme complémentaire, de sorte que l'ensemble affecte, vu en coupe transversale, la forme d'une succession de créneaux de section triangulaire ; 10 - ladite face interne de la bague ou de la paire de bagues présente au moins une rainure d'axe parallèle à celui de la bague, cette rainure séparant lesdits organes en différents tronçons ; - la face interne dudit élément tubulaire présente au moins une gorge supplémentaire dans laquelle est engagé un joint torique 15 d'étanchéité ; - lesdits organes saillants consistent en une juxtaposition de dents de forme pyramidale ; - dans ladite gorge supplémentaire est également engagée au moins une bague anti-extrusion ; 20 - ledit élément tubulaire est solidaire de l'extrémité d'au moins une chemise métallique tubulaire expansible. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré. 25 Sur ces figures : - la figure 1, est comme vu plus haut, une représentation schématique d'une portion de puits équipée d'une conduite avec des dispositifs d'isolation de zone ; - la figure 2 est une vue en coupe d'une portion de conduite 30 équipée d'un élément tubulaire qui y est fixé par vissage ; - la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une conduite conforme à l'invention, la partie supérieure représentant l'élément tubulaire avant sertissage, alors que la partie inférieure le représente après sertissage ; - les figures 4 et 5 sont des vues d'une bague d'étanchéité qui fait partie du dispositif selon l'invention, représentée respectivement avant et après sertissage ; - les figures 6 et 7 sont des vues en coupe et en très gros plan 5 de la bague évoquée ci-dessus en place dans une gorge d'un élément à sertir, respectivement avant et après l'opération de sertissage ; - les figures 8 et 9 représentent, en perspective, selon des directions opposées, une forme de réalisation additionnelle d'une bague utilisable dans le cadre de la présente invention ; 10 - les figures 10 et 11 sont des vues analogues aux figures 6 et 7, deux bagues telles que celle qui est représentée aux figures 8 et 9 étant utilisées ; - la figure 12 représente, également en perspective, un autre mode de réalisation de ladite bague ; 15 - les figures 13 et 14 sont des vues analogues aux figures 10 et 11, deux bagues telles que celle qui est représentée à la figure 12 étant utilisées. Lorsque l'on se reporte à la figure 3, on note la présence d'une conduite 1 qui est un tubage de production destiné à être disposé à 20 l'intérieur d'un puits A. La conduite permet la production d'un fluide d'intérêt. Selon l'invention, on se propose de sertir sur la face extérieure 10 de la conduite 1, un élément tubulaire 6 qui, dans le cas présent, constitue un élément de retenue et de fixation à la conduite 1 de 25 deux chemises annulaires déformables référencées C1 et C2. Dans un mode de réalisation non représenté, l'élément tubulaire 6 pourrait constituer, par exemple, une butée ou une extrémité d'un "packer" à base d'élastomère gonflable. Cet élément 6, de forme et de structure généralement 30 connues, comporte un corps principal 60 qui se poursuit par une jupe 61 recouvrant partiellement les extrémités des chemises C1 et C2. Conformément à une caractéristique de l'invention, la face interne 62 de l'élément tubulaire 6 comporte une gorge annulaire 620 particulièrement visible dans la partie supérieure de la figure 3, dans 35 laquelle est engagée une bague d'ancrage métallique 8. On notera que la ductilité de la conduite 1 peut être supérieure ou non à celle de la bague 8. Ainsi que cela est notamment visible aux figures 4 et 5, la bague d'ancrage 8 consiste en un anneau fendu transversalement. Cette 5 fente est référencée 80. L'anneau est pourvu sur sa face interne d'organes saillants d'ancrage 810. Dans le mode de réalisation représenté ici, ces organes saillants consistent en une série de nervures parallèles et circonférentielles, séparées par des rainures de forme complémentaire, de sorte que 10 l'ensemble affecte, vu en coupe transversale, la forme d'une succession de créneaux de section triangulaire. Bien entendu, d'autres formes d'organes saillants peuvent être envisagées. Comme représenté sur la figure 4, une ou plusieurs 15 rainure(s) R d'axe parallèle à l'axe parallèle Y-Y' de la bague peuvent séparer les organes saillants en différents tronçons. Dans un autre mode de réalisation non représenté également, les organes saillants peuvent consister en une juxtaposition de dents, par exemple de forme pyramidale. 20 En se référant plus particulièrement à la figure 6, on constate que selon sa section transversale, la bague 8 comporte une base ou face interne 81 pourvue desdits organes saillants 810, qui se raccorde à deux faces 82 formant chacune un angle aigu a avec cette base. A titre indicatif, la valeur de l'angle a est de l'ordre de 10°. 25 Dans le mode de réalisation décrit ici, les flancs 82 sont séparés l'un de l'autre par une face 83 sensiblement parallèles à la base 81 de sorte qu'elle affecte, en coupe transversale, la forme générale d'un trapèze. Ici, les deux angles a sont égaux de sorte que la bague 30 affecte, en coupe, une forme de symétrie. Comme on le verra plus loin, cette forme symétrique permet une reprise d'efforts dans des directions opposées. Toutefois, dans une variante, ces angles pourraient être différents. 2 9894 12 9 Dans le cas particulier où les deux flancs de la bague se rejoignent, on a alors affaire à une bague d'ancrage qui, en coupe transversale, a la forme d'un triangle. Comme montré plus particulièrement aux figures 6 et 7, la 5 gorge annulaire 620 qui reçoit la bague présente un profil sensiblement complémentaire de celui de cette bague. En l'occurrence, on a ici affaire à une gorge avec deux flancs 621 et un fond 622. Une autre caractéristique de l'invention est que la profondeur 10 de la gorge 620, référencée a à la figure 6, est légèrement inférieure à l'épaisseur b de la bague. En se reportant à la figure 3, on constate que le tube 6 comporte en plus de la gorge 620 d'autres gorges référencées ici 623, 624 et 625. 15 Ces trois gorges sont facultatives. Quand elles sont présentes, leur nombre peut être supérieur ou inférieur à trois, comme représenté ici. A l'intérieur de ces gorges sont reçus des joints toriques 9 ainsi que des bagues anti-extrusion 9'. Lors de l'opération de sertissage de l'élément tubulaire 6 sur la 20 conduite 1, cet élément 6 voit son diamètre interne diminuer. Il en est de même pour la bague 8 dont le diamètre diminue par rapprochement des bords de la fente 80. Simultanément à ce phénomène, du fait de l'effort de sertissage qui est essentiellement radial, les dents 810 de la bague rentrent partiellement à l'intérieur de la conduite 1, comme représenté à la figure 7. 25 Ceci s'explique par la différence des valeurs a et b précitées et de la forme saillante et acérée des organes 810. Comme le montrent les flèches de la figure 7, tout déplacement axial ou autre est alors empêché par effet de coin, les flancs 621 et le fond 622 de la gorge annulaire constituant des butées pour la 30 bague 6. Plus particulièrement, la pente des flancs 621 transmet les efforts aux dents de la bague d'ancrage. La bague 6 permet donc d'obtenir une fixation efficace des deux pièces et est quasi insensible aux variations de pression. Les joints d'étanchéité 9 qui occupent les gorges 35 additionnelles permettent encore d'améliorer l'étanchéité du montage. Ainsi, le sertissage assure en même temps la compression initiale des joints de compression indispensable pour leur faire jouer leur rôle de moyen d'étanchéité. Les joints d'étanchéité 9 peuvent, par exemple, être en élastomère (par exemple toriques, à lèvre, etc) ou métalliques (type "C- ring"). Un tel système peut fonctionner avec des pressions internes et externes importantes et il se peut alors qu'un jeu d'extrusion, c'est à dire un infime passage entre l'élément serti 6 et la conduite 1 apparaisse et augmente au cours du fonctionnement, par déformation élastique des pièces. Pour pallier cet inconvénient, on utilise des bagues antiextrusion 9' qui présentent une paroi inclinée et qui sont en matériaux sensiblement déformables. Lorsqu'une pression est appliquée d'un côté du joint 9, ce 15 dernier s'appuie sur l'une ou l'autre des bagues 9' qui se déplacent alors légèrement axialement et viennent obturer le jeu d'extrusion. Dans le mode de réalisation représentée aux figures 8 et 9, la bague 8', qui est du même type général que celle décrite plus haut, comporte une série de fentes partielles 80' qui s'étendent transversalement. 20 Elles sont ici au nombre de quatre et opposées deux à deux diamétralement. Dans un mode de réalisation non représentée, le nombre de fentes partielles pourrait être supérieur. Il s'agit de fentes partielles qui ne débouchent pas sur le côté 25 opposé de la bague de sorte qu'il existe une continuité de matière qui est référencée 800', dans le prolongement de ces fentes 80'. On en expliquera plus loin leur fonction. Considérée transversalement, cette bague 8' comporte une base ou face interne 81' pourvue d'organes saillants 810' du même type que 30 ceux décrits plus haut. Par ailleurs, elle comporte une face supérieure 83', généralement parallèle à la base ou face interne 81'. Contrairement au mode de réalisation déjà décrit, cette bague 8' comporte une seule face inclinée 82' qui forme un angle aigu avec la 35 base 81'. L'autre face, référencée 84, est droite et orientée perpendiculairement aux faces 81' et 83'. Par ailleurs, dans la continuité de la face 82' s'étend une collerette 85' dont l'extrémité libre présente un profil 850' en forme de "C". En d'autres termes, ce profil 850' présente une forme concave. Comme montré plus particulièrement aux figures 10 et 11, la gorge 620 qui équipe l'élément tubulaire 6 reçoit non pas une, mais deux bagues 8'. Dans ce mode de réalisation, il s'agit de deux bagues identiques qui sont juxtaposées et rendues jointives par leurs faces 84'. Leur mise en place est rendue possible par la présence des fentes partielles 80' qui autorisent une certaine déformabilité des bagues. Sur ces figures 10 et 11, les bagues sont représentées en 15 coupe transversale au niveau des fentes 80' précitées. Ainsi, on constate la présence de la collerette 85' de part et d'autre de la gorge 620. Lors de l'opération de sertissage et comme déjà vu en référence au précédent mode de réalisation, les dents des bagues s'enfoncent dans le matériau de la conduite, tandis que la collerette 85', de 20 par la forme arquée en "C", contribue à former une étanchéité métal/métal entre les deux pièces 1 et 6. Le mode de réalisation de la figure 12 se différencie uniquement du précédent par le fait que dans le prolongement de la face inclinée 82' s'étend une lèvre 86' de très faible épaisseur. 25 De ce fait, comme cela est montré en comparant les figures 13 et 14, lors de l'opération de sertissage, la région de la lèvre 86' se déforme élastiquement de sorte que celle-ci réalise également ici une étanchéité métal/métal.