Brevet FR3012512A1 — publié le 20150501

La présente invention se rapporte essentiellement à une chemise métallique expansible par hydroformage et équipée de moyens empêchant l'éclatement de cette dernière. Elle concerne également un dispositif expansible qui en est 5 pourvu. Ainsi, la figure 1 annexée représente, partiellement et en coupe longitudinale, un dispositif connu d'isolation d'une conduite, mais l'invention est applicable à d'autres dispositifs similaires. Sur cette figure, la conduite tubulaire 1 est en place dans un 10 puits, par exemple horizontal. Cette conduite 1 est en métal. Elle est pourvue d'au moins une chemise expansible 2 (une seule est visible à la figure 1) qui est préférentiellement en métal. Cette chemise est fixée de manière étanche à la conduite 1 par l'intermédiaire d'anneaux 20, par exemple sertis. 15 Un ou plusieurs passages (ou perforations) 10 formés dans la conduite 1 permettent de mettre en communication l'intérieur de celle-ci avec l'intérieur de la chemise 2 pour permettre son expansion. La chemise expansible est recouverte, sur toute ou partie de sa longueur, d'une couche d'étanchéité 3 en matériau élastiquement deformable (par 20 exemple en élastomère). Comme montré à la figure 2, cet ensemble est placé dans un puits 4. La paroi intérieure 40 de ce puits peut être constituée d'un tube métallique (puits tubé), ou bien de surfaces brutes de forage (puits ouvert). 25 L'intérieur du puits 4 est à une pression absolue P0. Ainsi que cela est visible à la figure 3, la chemise 2 est expansée radialement, par injection de pression dans la conduite 1, via le passage 10. La pression nécessaire au contact entre la couche d'étanchéité 3 et la paroi intérieure 40 du puits 4 est notée P1. 30 Par application d'une surpression P1 + OP, la couche d'étanchéité 3 vient alors se comprimer et permet ainsi d'isoler de manière étanche les espaces annulaires EA1 et EA2 disposés de part et d'autre de la chemise 2. Il est possible que la paroi 40 du puits 40 soit instable ou qu'une "cave" soit présente, c'est-à-dire que la paroi 40 du puits 4 présente une absence de matière 41 plus ou moins en regard de la chemise expansible 2. Ainsi, la chemise continue de s'expanser, sans support solide pour l'en empêcher, lors du passage de la pression P1 à la pression (P1 + OP). Cela correspond à la situation de la figure 4. Il est ainsi possible que la chemise expansible atteigne son allongement maximal (de l'ordre de 40 à 50 %) et rompe (situation de la figure 5). Lorsqu'une telle rupture intervient, les espaces annulaires EA1 et/ou EA2 sont alors en communication avec l'intérieur de la conduite. L'intégrité du puits est alors totalement perdue. Le document WO 2013/037816 présente un dispositif de prévention de la rupture d'un système à base de chemise expansible, lorsque la rupture est due à un défaut de la matière qui les constitue. L'épaisseur de la chemise expansible est ainsi divisée en deux chemises expansibles distinctes. Si des défauts apparaissent dans l'une des chemises expansibles, il est très peu probable que ce défaut apparaisse exactement en regard d'un défaut de la seconde chemise expansible. Ce système ne prévient cependant pas de l'éclatement en face d'une "cave" si l'allongement dépasse les limites d'expansion et de plasticité des matériaux. Par ailleurs, un système de valve est décrit dans la demande de brevet EP 260761. Si la chemise expansible qui y est décrite rompt, une valve placée dans l'orifice d'expansion détecte soit une chute de pression brutale à l'intérieur de la conduite, soit un débit important au travers de l'orifice. Si ces événements sont détectés, la valve se ferme et isole alors complètement l'intérieur de la conduite du reste du puits. Cependant, en cas de défaillance de la valve, l'intégrité du puits est également perdue. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. En d'autres termes, elle a pour but de proposer une chemise 35 expansible qui ne se rompt pas, même quand celle-ci se trouve face à une "cave" ou un défaut de matière dans la paroi du puits. Ainsi, la présente invention se rapporte principalement à une chemise métallique expansible radialement par hydroformage, qui présente un diamètre dit "diamètre initial" qui correspond à un état non expansé et un diamètre dit "diamètre optimum" qui correspond à un état expansé, ce diamètre optimum étant inférieur ou égal à son diamètre maximal au-delà duquel elle se romprait, caractérisée par le fait que : - elle comporte dans son état non expansé, contre sa face externe et au moins sur une partie de celle-ci, au moins un 10 enroulement hélicoïdal coaxial ; - cet enroulement est constitué d'une fibre ou d'un ensemble de fibres, - chaque spire de l'enroulement est constituée d'une partie principale en contact avec la face externe de la chemise et d'une partie 15 secondaire, d'une pièce avec la partie principale ; - la longueur développée de cette partie secondaire étant telle que se déploie et se plaque contre ladite chemise lors de l'expansion de cette dernière, pour la contraindre dans un état où elle occupe ledit "diamètre optimum". 20 Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de l'invention : - ledit enroulement hélicoïdal et coaxial est constitué de spires jointives; - la fibre ou l'ensemble de fibres dudit enroulement coaxial 25 est enduit avec un matériau souple tel que du silicone ou un élastomère ; - la fibre ou l'ensemble de fibres dudit enroulement coaxial est enduit avec un matériau souple, à l'exception de leur partie secondaire ; - elle comporte au moins deux enroulements séparés l'un de 30 l'autre par un intervalle ; - dans ledit intervalle est présent une bande de matière élastiquement déformable, son épaisseur étant supérieure à celle desdits enroulements ; - elle comporte au moins un enroulement "à étages" ce qui 35 signifie qu'une première partie de l'enroulement est en contact direct avec ladite chemise , tandis qu'au moins une portion de la partie restante est enroulée sur la première partie, et ainsi de suite ; - la partie secondaire de chaque spire est rabattue sur la partie principale associée ; - la partie secondaire de chaque spire est rabattue transversalement au dit enroulement ; - ledit enroulement comporte des moyens de rattachement de la partie secondaire des spires aux parties principales des spires de l'enroulement, ces moyens de rattachement cédant ou se déformant sous l'effet de l'augmentation du diamètre de ladite chemise pour libérer ladite partie secondaire ; - lesdits moyens de rattachement consistent en une gaine élastique qui enveloppe ledit enroulement ; - lesdits moyens de rattachement consistent en un anneau en 15 matériau souple dans lequel ledit enroulement est noyé ; - ledit matériau souple est du silicone ou un élastomère ; - lesdits moyens de rattachement consistent en un lien frangible qui relie la partie secondaire de chaque spire à la partie principale ; 20 La présente invention se rapporte aussi à un dispositif expansible, notamment de fracturation hydraulique, qui comprend : - une conduite tubulaire ; - et, contre sa face externe, une chemise cylindrique expansible coaxiale, dont les extrémités opposées sont reliées 25 de manière étanche à cette face externe ; - la paroi de ladite conduite tubulaire comportant au moins un passage pour la faire communiquer avec l'intérieur de la chemise. Ce dispositif est remarquable en ce qu'il comporte une chemise conforme à l'une des caractéristiques précitées. 30 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Elle sera faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1 à 5, déjà citées, représentent l'état de la technique le plus proche de l'invention ; 35 - la figure 6 est une vue partielle, en coupe longitudinale d'un dispositif conforme à l'invention ; - la figure 7 est une vue partielle, en coupe longitudinale, de la paroi de la chemise expansible du dispositif et de deux formes de réalisation d'enroulements hélicoïdaux qui l'équipe ; - la figure 7' est une vue simplifiée en perspective d'une 5 chemise 2 et d'une partie de l'enroulement qui l'équipe ; - la figure 8 est similaire à la partie gauche de la figure 7, l'enroulement étant noyé dans un anneau de matière d'enveloppement ; - la figure 9 est un schéma montrant la différence de diamètre entre la chemise expansible dans son état non expansé, ainsi 10 qu'une spire de l'enroulement précité, présentée dans sa position complètement déployée ; - la figure 10 est une vue analogue à la figure précédente, la spire étant montrée dans une position dans laquelle elle est en contact avec la chemise, à l'exception d'une partie secondaire rabattue sur le 15 reste de la spire ; - la figure 11 est une vue partielle de face d'une chemise, avec des enroulements dont la partie secondaire est disposée différemment de ce qui est montré à la figure 10 ; - la figure 12 est un graphique qui montre, en fonction de la 20 pression à l'intérieur de la chemise, l'évolution de son diamètre ; - les figures 13, 14 et 15 sont des vues analogues en coupe transversale d'une chemise et d'une spire contraignant son diamètre, selon trois modes de réalisation dans lesquels des moyens de rattachement de la partie secondaire des spires à la partie principale sont montrés, ces 25 moyens de rattachement cédant ou se déformant sous l'effet d'une augmentation du diamètre de la chemise ; - les figures 16, 17 et 18 sont des vues destinées à montrer comment se comportent la chemise et les spires de son enroulement associé ; 30 - les figures 19 et 20 sont des vues en perspective d'un mode de réalisation particulier d'un enroulement, avant et après déformation de la chemise ; - enfin, la figure 21 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un puits dont un chemisage interne est soumis à une 35 déformation par déplacement d'un "packer". La description qui va suivre est essentiellement donnée en référence à un dispositif expansible du même type que celui décrit aux figures 1 à 5. Toutefois, et comme déjà précisé, l'invention s'applique également à une chemise métallique expansible radialement par hydroformage, et ce mode de réalisation sera décrit en fin de description, en référence à la figure 19. Le dispositif représenté à la figure 6 est donc du même type que celui présenté en référence aux figures 1 à 5. Toutefois, en lieu et place de la couche d'étanchéité 3 placée sur la paroi externe de la chemise 2, on a ici affaire à un ensemble de manchons élastomères 30 distants les uns des autres, entre lesquels est placé un enroulement hélicoïdal coaxial d'une fibre ou d'un ensemble de fibres à spires jointives 5. Dans le cas représenté ici, on a affaire à six bandes 30 solidaires de la face externe de la chemise 2, entre lesquelles sont disposés les enroulements 5. Bien entendu, ces nombres pourraient être différents, et l'on peut même envisager que la chemise soit dépourvue de bandes 30. Chaque enroulement 5 est, comme dit plus haut, constitué 20 d'une fibre ou d'un ensemble de fibres à spires jointives ou non jointives. Par le terme "fibre ou ensemble de fibres", on entend une fibre mono-fil, ou constituée d'un ensemble de fils, par exemple torsadés ou encore disposés parallèlement les uns aux autres. D'autres agencements peuvent aussi être envisagés. 25 Le matériau constitutif de la fibre est choisi en fonction des critères suivants : résistance à la traction, souplesse, résistance à la température. Des matériaux préférés pour cet enroulement consistent notamment en de l'aramide ou du carbone. 30 Dans un mode de réalisation possible, ledit enroulement est "monocouche" de sorte que ses différentes spires 50, considérées dans un plan de coupe transversal, se situent dans un même plan. Toutefois, comme montré à la figure 7, on peut avoir plusieurs enroulements El et E2 à étages, ce qui signifie qu'une première 35 partie de l'enroulement El est en contact direct avec la chemise 2 tandis qu'au moins une portion de la partie restante E2 de l'enroulement est enroulée sur la première partie E1, et ainsi de suite. Sur la partie droite de cette même figure, on a affaire à trois enroulements 5 de quatre fibres répartis en trois étages E1, E2, E3 5 superposés. Ces enroulements ne sont de préférence pas directement réalisés sur la chemise elle-même. On préfère en effet utiliser un mandrin dont le diamètre correspond à celui de la chemise 2 expansible, après qu'elle se soit 10 expansée. Par exemple, ce diamètre correspond à la déformation maximale de la chemise 2 avant sa rupture. L'allongement de la fibre sous la contrainte doit être également pris en compte, c'est-à-dire que si le diamètre maximal de la chemise expansible 2 après expansion est dmax, les fibres doivent être 15 enroulées sur un mandrin ayant un diamètre extérieur égal à dmax x (1 - allongement de la fibre en pourcentage). L'allongement est par exemple de l'ordre de 4 % pour certaines fibres en aramide. Cet enroulement 5 est ensuite détaché du mandrin, le mandrin est ensuite retiré, et l'ensemble est placé à l'extrémité de la 20 chemise, puis dans sa position finale. On se retrouve alors dans la situation de la figure 9 dans laquelle le diamètre d50 de chaque spire est largement supérieur au diamètre d2 de la chemise 2 avant expansion. On procède alors au repliement de l'enroulement de manière à ce qu'une partie principale 500 de cet enroulement 5 soit en contact 25 direct avec la face externe de la chemise 2 (voir figure 10). L'excédent de matière constitue la partie secondaire 501 de l'enroulement et sa mise en place peut se faire soit par rabattement sur la partie principale 500 de la spire associée 50, comme c'est le cas de la figure 10. 30 Sa mise en place peut se faire également dans une direction légèrement transversale par rapport à la direction générale la partie principale 500 de l'enroulement 5. Ceci correspond à la situation de la figure 7. Pour faciliter le transfert de l'enroulement du mandrin sur la 35 chemise 2, on aura par exemple enduit la fibre avec un matériau souple tel que du silicone ou un élastomère de manière à former une matrice qui maintient les différentes spires ensemble et qui permet de le démouler de manière plus aisée. Cette matrice est référencée 6 à la figure 8. On notera que la figure 7' représente un enroulement de quelques spires représenté en perspective autour de la chemise 2. Selon un mode de réalisation avantageux, la chemise comporte des moyens supplémentaires qui permettent de maintenir la partie secondaire 501 des spires 50 solidaire de la partie principale 500 de la spire correspondante. Toutefois, ces moyens sont prévus pour céder sous l'augmentation du diamètre de la chemise pour libérer la partie secondaire 501. Ainsi, dans le mode de réalisation de la figure 13, on a affaire à une gaine élastique 7 qui enveloppe l'enroulement 5. Dans le mode de réalisation de la figure 14, on utilise un anneau en matériau souple 6 dans lequel l'enroulement 5 est noyé. 15 Préférentiellement, ces moyens consistent en un anneau en silicone. Enfin, dans le mode de réalisation de la figure 15, on a simplement affaire à un lien frangible 8 qui relie chaque partie secondaire 501 à la partie principale correspondante 500. Nous allons maintenant expliquer, en référence aux 20 figures 16, 17 et 18, comment se comportent les spires 50 des enroulements 5 en fonction du taux d'expansion de la chemise 2. Ainsi, la figure 16 correspond à la situation dans laquelle la chemise 2 est dans son état non expansé. On peut ainsi faire le parallèle entre cette figure 16 et la figure 2 commentée plus haut. 25 Au fur et à mesure de l'augmentation de la pression P à l'intérieur de la chemise 2, celle-ci voit son diamètre augmenter de sorte que la partie pale de chaque spire voit sa longueur diminuer au détriment de la partie secondaire. En d'autres termes, le diamètre global de la spire augmente. 30 Toutefois, dans la mesure où la circonférence totale de chaque spire présente une longueur prédéterminée, même si la pression P à l'intérieur de la chemise augmente encore, le diamètre reste inchangé lorsque chaque spire s'est complètement déployée. L'enroulement agit alors comme une butée, un lasso ou un 35 renfort et contraint l'expansion de la chemise 2. 301 2 5 1 2 9 Du fait que les spires sont jointives et qu'il existe de fortes contraintes de frottement entre l'enroulement et la chemise, les fibres ne se déroulent pas par simple effet cabestan mais selon le mode opératoire qui vient d'être décrit. 5 En référence aux figures 19 et 20, on s'est contenté de représenter un enroulement 5 sans la chemise à laquelle il est normalement associé (dans un simple but de simplification). Comme dans le mode de réalisation de la figure 8, cet enroulement est enduit d'un matériau souple tel que du silicone ou un 10 élastomère, de manière à former une matrice 6. Toutefois, contrairement à ce mode de réalisation, la partie secondaire 501 des spires 50 n'est pas enduite et est rabattue sous la matrice (elle pourrait être rabattue par-dessus. Lors de l'expansion de la chemise, les parties secondaires 501 15 des spires se déplient pour occuper leur position finale en arc de cercle, comme montré à la figure 20. Cette "absence" d'enduction des parties secondaires permet tout particulièrement d'obtenir une expansion rapide et sûre des parties secondaires. 20 Comme indiqué plus haut, une structure et l'utilisation d'un dispositif selon l'invention ont été décrites en référence aux figures précitées. Toutefois, l'invention se rapporte aussi à une simple chemise métallique pourvue d'un tel enroulement. 25 Cette chemise trouve une application, notamment lorsque l'on se propose de déformer une chemise 2 de réparation d'un puits 4 tel que cela est visible sur la figure 21. On se trouve donc ici dans une situation dans laquelle l'on souhaite chemiser le puits 4 avec une chemise 2 qui est descendue dans le 30 puits à l'aide d'une vessie gonflable 9. Pour ce faire, la chemise est descendue dans le puits 4 à l'aide de la vessie gonflable 9 qui est gonflée de telle manière qu'elle vienne simplement en appui contre la paroi interne de la chemise. Une fois descendue dans le puits et bloquée, on déforme la chemise 2 jusqu'à 35 ce qu'elle occupe le diamètre 1 montré en bas de la figure. La vessie gonflable 9 est ensuite remontée le long de la chemise. Dans l'hypothèse où l'on a affaire à une cave 41 ou à un défaut de matériau dans la paroi du puits 4, alors l'enroulement présent sur la paroi externe de la chemise entre en action pour limiter son expansion selon le processus déjà expliqué.5 REVENDICATIONS1. Chemise métallique expansible radialement (2) par hydroformage, qui présente un diamètre dit "diamètre initial" qui correspond à un état non expansé et un diamètre dit "diamètre optimum" qui correspond à un état expansé, ce diamètre optimum étant inférieur ou égal à son diamètre maximal au-delà duquel elle se romprait, caractérisée par le fait que : - elle comporte dans son état non expansé, contre sa face externe et au moins sur une partie de celle-ci, au moins un enroulement (5) hélicoïdal coaxial ; - cet enroulement (5) est constitué d'une fibre ou d'un ensemble de fibres, - chaque spire (50) de l'enroulement est constituée d'une partie principale (500) en contact avec la face externe de la chemise (2) et d'une partie secondaire (501), d'une pièce avec la partie 15 principale (500) ; - la longueur développée de cette partie secondaire (501) étant telle que se déploie et se plaque contre ladite chemise (2) lors de l'expansion de cette dernière, pour la contraindre dans un état où elle occupe ledit "diamètre optimum". 20 2. Chemise selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit enroulement hélicoïdal et coaxial est constitué de spires jointives (50). 3. Chemise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la fibre ou l'ensemble de fibres dudit 25 enroulement coaxial est enduit avec un matériau souple tel que du silicone ou un élastomère. 4. Chemise selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la fibre ou l'ensemble de fibres dudit enroulement coaxial est enduit avec un matériau souple, à l'exception de leur partie secondaire (501). 30 5. Chemise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins deux enroulements (5) séparés l'un de l'autre par un intervalle. 6. Chemise selon la revendication 5, caractérisée par le fait que dans ledit intervalle est présent une bande (30) de matière élastiquement déformable, son épaisseur étant supérieure à celle desdits enroulements (5). 7. Chemise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un enroulement (5) "à étages" (E1, E2, E3), ce qui signifie qu'une première partie (E1) de l'enroulement (5) est en contact direct avec ladite chemise (2), tandis qu'au moins une portion de la partie restante (E2) est enroulée sur la première partie, et ainsi de suite. 8. Chemise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la partie secondaire (501) de chaque spire (50) est rabattue sur la partie principale associée (500). 9. Chemise selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée 15 par le fait que la partie secondaire (501) de chaque spire (50) est rabattue transversalement au dit enroulement (5). 10. Chemise selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ledit enroulement (5) comporte des moyens de rattachement (6, 7, 8) de la partie secondaire (501) des spires (50) aux 20 parties principales (501) des spires (50) de l'enroulement (5), ces moyens de rattachement cédant ou se déformant sous l'effet de l'augmentation du diamètre de ladite chemise (2) pour libérer ladite partie secondaire (501). 11. Chemise selon la revendication 10, caractérisée par le fait que lesdits moyens de rattachement consistent en une gaine 25 élastique (7) qui enveloppe ledit enroulement (5). 12. Chemise selon la revendication 10, caractérisée par le fait que lesdits moyens de rattachement consistent en un anneau (6) en matériau souple dans lequel ledit enroulement (5) est noyé. 13. Chemise selon la revendication 10, caractérisée par le 30 fait que ledit matériau souple est du silicone ou un élastomère. 14. Chemise selon la revendication 10, caractérisée par le fait que lesdits moyens de rattachement consistent en un lien frangible (8) qui relie la partie secondaire (501) de chaque spire (50) à la partie principale (500). 35 15. Dispositif expansible, notamment de fracturation hydraulique, qui comprend :- une conduite tubulaire (1) ; - et, contre sa face externe, une chemise cylindrique (2) expansible coaxiale, dont les extrémités opposées sont reliées de manière étanche à cette face externe ; - la paroi de ladite conduite tubulaire (1) comportant au moins un passage (10) pour la faire communiquer avec l'intérieur de la chemise, caractérisée par le fait que ladite chemise (2) est conforme à l'une des revendications précédentes.10