[0001] La présente invention concerne les dispositifs d'obturation de type gonflable que
l'on utilise dans les techniques de forage.
[0002] On sait en effet que dans ces techniques on fait appel, dans le cadre d'applications
diverses, à des dispositifs d'obturation qui sont mis en place dans les puits de forage
et qui, à la profondeur requise, sont activés par la mise en oeuvre de moyens de gonflage.
[0003] Ces dispositifs d'obturation, habituellement appelés "packer", sont constitués d'éléments
tubulaires cylindriques dont la paroi externe est constituée d'un manchon en élastomère
qui est maintenu entre deux bagues métalliques qui permettent de le raccorder à un
tube de forage amont et éventuellement aval. Un tel "packer" est divulgué dans le
brevet US 5 143 154.
[0004] On sait que les packers sont destinés à assurer essentiellement deux fonctions, à
savoir une fonction d'ancrage et une fonction d'étanchéité avec les enrochements avoisinants
du puits de forage. Pour ce faire, après introduction du packer dans le puits de forage
au niveau souhaité on assure le gonflement du manchon en élastomère par une injection
sous pression d'un fluide tel que préférentiellement du ciment, ou par compression
mécanique.
[0005] Une difficulté provient du fait qu'un packer doit supporter des charges importantes,
pouvant parfois dépasser cent tonnes, si bien que les contraintes, notamment les contraintes
de cisaillement, qui s'exercent sur le manchon en élastomère amènent une déformation
de celui-ci qui nuit d'une part à la qualité de son ancrage et d'autre part à ses
qualités d'étanchéité.
[0006] Cette difficulté se trouve accrue du fait que le packer doit assurer les fonctions
précédemment mentionnées alors qu'il se trouve dans un milieu particulièrement hostile
en raison notamment de l'agressivité des fluides rencontrés et des températures élevées.
Ces dernières font d'autant ressentir leurs effets que le packer se trouve à forte
profondeur, en des zones où les températures peuvent parfois dépasser des valeurs
de l'ordre de 150°C. On comprend que, dans de telles conditions, les qualités mécaniques
de l'élastomère constituant le manchon gonflable des packers se trouvant très amoindries.
[0007] Afin de réduire les phénomènes de déformation des packers sous l'effet de telles
contraintes, on a proposé de renforcer l'élastomère en lui adjoignant un renfort métallique,
constitué par exemple de lames de métal qui sont disposées en écaille dans la masse
de celui-ci. De tels packers sont d'une part d'un prix de revient élevé et d'autre
part ne pallient pas complètement aux inconvénients précités.
[0008] Par ailleurs, on a constaté que les packers de l'état antérieur de la technique se
conduisent comme des pièges vis-à-vis des gaz rares tels que l'hélium, si bien qu'ils
se révèlent poreux au passage de celui-ci.
[0009] Enfin, en raison de leur garniture externe d'élastomère les packers se révèlent fragiles,
et cette garniture externe est parfois détériorée au cours de leur descente dans le
puits de forage, ce qui contribue encore à leur manque de résistance mécanique ultérieure.
[0010] La présente invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients en proposant
un nouveau type de packer en mesure d'une part de résister aux conditions hostiles
d'un puits de forage ainsi qu'aux fortes contraintes mécaniques qui s'exercent sur
celui-ci après son ancrage. Elle a également pour but, en améliorant de façon particulièrement
significative la qualité de cet ancrage, de simplifier la technique du forage en évitant
notamment d'être contraint de réaliser des réductions de diamètre de forage.
[0011] La présente invention a ainsi pour objet un dispositif d'obturation d'un puits de
forage, du type dit packer, comportant un élément tubulaire central recouvert d'un
manchon périphérique déformable, à l'intérieur duquel on injecte un fluide sous pression
de façon à déformer ledit manchon et l'appliquer sur les parois du puits de forage,
caractérisé en ce que le manchon déformable est constitué d'un métal.
[0012] Ce métal pourra, préférentiellement, être constitué d'un alliage à base de cupronickel.
[0013] Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention la paroi interne du manchon forme au
moins une chambre annulaire qui s'étend sur au moins une partie de la surface du manchon
et qui est en communication, par un orifice, avec l'intérieur du packer, cette chambre
étant remplie, avant l'injection du fluide sous pression, d'un matériau non miscible
dans le liquide de forage. Ce matériau sera avantageusement constitué d'un ciment
durci qui, sous l'effet de la pression due à l'injection du ciment dans le packer
se fendillera créant ainsi des porosités formant autant de passages qui permettront
au fluide injecté sous pression d'être admis dans les chambres annulaires et d'exercer
ainsi sur les parois des manchons métalliques des efforts de pression importants répartis
sur toute la surface du manchon et qui assureront la déformation des parois de celui-ci.
[0014] Cette chambre pourra avantageusement être constituée par un alésage réalisé dans
le manchon métallique qui sera limité vers l'intérieur par la paroi externe d'un tube
ajusté dans le manchon.
[0015] Le dispositif d'obturation d'un puits de forage suivant l'invention, ou packer, est
particulièrement intéressant, par rapport aux dispositifs de la technique antérieure
dans la mesure où, notamment lorsque le fluide sous pression injecté dans le packer
est constitué de ciment, celui-ci peut faire bloc avec les différents éléments du
packer et notamment avec le manchon déformable, ce qui améliore la résistance de celui-ci
aux différentes contraintes qui le sollicitent et notamment le poids du tubage amont.
[0016] On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, une forme d'exécution de
la présente invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels:
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un packer suivant l'invention
disposé dans un puits de forage.
Les figures 2 et 3 sont des vues schématiques de deux étapes de mise en oeuvre d'un
packer suivant l'invention.
La figure 4 est une vue externe partielle représentant un mode de mise en oeuvre d'un
packer métallique suivant l'invention.
La figure 5 est une vue en coupe longitudinale partielle représentant un mode de mise
en oeuvre d'un packer métallique suivant l'invention.
[0017] On a représenté sur la figure 1 un packer métallique 1 suivant l'invention qui est
disposé dans un puits de forage 3. Ce packer 1 se compose essentiellement d'un manchon
cylindrique externe 5 et d'un élément tubulaire métallique 7 ajusté à l'intérieur
de celui-ci. Les parties droite et gauche de cette figure représentent respectivement
le packer avant et après le gonflage de son manchon.
[0018] Le manchon 5 est constitué d'un métal possédant de bonnes caractéristiques de résistance
à la corrosion qui est facile à usiner, et qui est à même de subir des déformations
importantes sans perte notable de ses caractéristiques mécaniques.
[0019] Les différents essais qui ont été effectués ont établi que les alliages de cuivre
et de nickel notamment ceux comportant des teneurs en fer et en manganèse respectifs
de l'ordre de 1,5% et 0,8% étaient particulièrement intéressants. On retiendra ainsi
tout particulièrement un alliage de composition CuNi10FeMn1 c'est-à-dire un alliage
dont la composition est :
Cuivre |
87,7% |
Nickel |
10% |
Fer |
1,5% |
Manganèse |
0,8% |
[0020] D'autres types d'alliages peuvent bien entendu être utilisés, et l'on retiendra notamment
les alliages d'acier inoxydable doux, les alliages à base de cuivre et d'aluminium
notamment.
[0021] La surface interne des extrémités du manchon 5 est creusée de trois rainures circulaires
qui reçoivent des joints toriques 11 assurant une étanchéité entre ce manchon et l'élément
tubulaire 7. Les extrémités externes du manchon 5 sont chacune creusée d'un alésage
circulaire à l'intérieur duquel est emmanchée à force une bague d'acier 13, formant
cerclage, destinée à empêcher toute déformation des parties extrêmes du manchon 5.
La solidarisation de la bague 13 et du manchon 5 avec l'élément tubulaire 7 est assurée
par le biais d'une immobilisation en translation de ces éléments, qui est obtenue
au moyen d'une vis 15 vissée dans l'élément tubulaire 7 et dont la tête 15a prend
place dans des évidements appropriés prévus dans la bague 13 et dans le manchon 5.
[0022] La face interne centrale du manchon 5 comprise entre les cerclages 13 est creusée
d'un évidemment diminuant, dans cette partie centrale, l'épaisseur du manchon 5 et
qui forme avec la face externe de l'élément tubulaire 7 une chambre annulaire 17.
Cette chambre 17 communique avec l'intérieur de l'élément tubulaire 7 par des lumières
19.
[0023] Comme représenté de façon schématique sur les figures 2 et 3, l'intérieur de la chambre
17 est rempli d'un ciment durci, qui est destiné à éviter que le liquide existant
dans le puits de forage ne remplisse celle-ci.
[0024] Après avoir mis en place le packer 1 suivant l'invention dans le trou de forage 3
au niveau où l'on souhaite l'ancrer et avoir obturé la partie avant du packer au moyen
d'un obturateur 18, on injecte sous forte pression, de façon connue, à l'intérieur
de l'élément tubulaire 7 un produit, tel que notamment un ciment. Dans ces conditions,
le ciment injecté sous pression à l'intérieur de l'élément tubulaire 7 pénètre sous
forte pression, dans les orifices 19, brise le ciment durci contenu dans la chambre
17 et, ce faisant, crée dans celui-ci des interstices qui lui permettent de pénétrer
dans la chambre 17 sur toute la périphérie de celle-ci, ce qui a pour effet de favoriser
l'application de la pression communiquée par le ciment injecté à la surface totale
de la partie déformable du manchon 5. Dès lors, celui-ci commence à se déformer ce
qui favorise alors la pénétration du ciment sous pression dans la chambre 17 et a
pour effet d'appliquer fortement la face externe du manchon 5 contre la paroi interne
du puits 3. Une fois le ciment durci l'ancrage du packer est assuré.
[0025] La création de la chambre 17 qui s'étend sur la quasi totalité de surface interne
du manchon 5 permet d'appliquer la force de pression provenant du ciment d'injection
sur la totalité de cette paroi, ce qui a pour effet de favoriser sa déformation. Suivant
l'invention le remplissage de la chambre 17 par un ciment durci permet d'éviter que
le liquide circulant dans le puits, ou liquide de forage, ne prenne place à l'intérieur
de cette chambre avant l'injection du ciment sous pression ce qui aurait pour effet
de provoquer une dilution de celui-ci après l'injection, avec pour conséquences un
amoindrissement des qualités de résistance mécaniques du ciment injecté dans cette
chambre 17.
[0026] Bien entendu on peut remplir la chambre 17 avec d'autres produits, notamment des
produits susceptibles de se briser sous l'effet de la force d'injection du ciment,
de façon à créer ainsi de multiples passages permettant au ciment injecté de pénétrer
dans la chambre 17 afin de provoquer la déformation de la partie du manchon 5 et le
gonflage de celle-ci. On pourrait ainsi utiliser notamment du gypse ou, par exemple,
une résine époxy. On pourrait également faire appel à des micro-billes de verre susceptibles
de se briser sous l'effet de la force d'injection du ciment.
[0027] L'invention est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet d'assurer un accrochage
du ciment injecté sur le manchon métallique externe 5, accrochage qui n'était pas
envisageable lorsque les manchons externes étaient constitués d'un élastomère. Ainsi,
si entre les étapes représentées sur les figures 2 et 3, c'est-à-dire avant l'obturation
de l'élément tubulaire 7 par l'obturateur 18, on injecte du ciment sur la paroi 3
du puits de forage, ce ciment après le gonflement du manchon 5 fera bloc avec celui-ci
et avec les parois du puits 3 ce qui bien entendu améliorera l'ancrage du packer 1
de façon importante et rendra celui-ci quasiment inamovible.
[0028] La présente réalisation est particulièrement intéressante en ce qu'elle permet, contrairement
aux packers en élastomère de l'état antérieur de la technique, de réaliser sur la
surface externe du manchon déformable des aspérités constituant de véritables crampons
améliorant encore l'ancrage du packer sur la paroi interne des puits.
[0029] Ainsi que représenté sur la figure 4, la surface externe du manchon métallique 5
comporte ainsi des rainures circulaires (figures en traits interrompus sur la figure)
inclinées par rapport à l'axe transversal xx' de celui-ci et qui sont alternées en
direction par rapport à cet axe, de façon à réaliser successivement des angles α et
-α avec pour effet de former des crampons 21 dont la forme vue en plan constitue sensiblement
des losanges. On pourrait bien entendu réaliser des crampons de toute autre forme.
[0030] La présente invention permet également de combiner de bonnes qualités d'ancrage et
de bonnes qualités d'étanchéité.
[0031] Ainsi dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, représentée sur la figure
5, lorsque pour des raisons techniques, on souhaite privilégier l'étanchéité existant
entre le packer et la surface interne du puits dans lequel il est disposé, on remplit
des rainures creusées en surface externe du manchon 5 (notamment des rainures circulaires)
d'un produit élastomère 23, d'une résine époxy élastique etc... qui confère au manchon
5 de bonnes qualités d'étanchéité tout en conservant à celui-ci de bonnes qualités
d'ancrage grâce à ses aspérités rigides formant crampons existant entre ces rainures.
[0032] Bien entendu les packers métalliques suivant l'invention peuvent être réalisés de
différents diamètres et de différentes longueurs, fonction des puits de forage et
des applications spécifiques auxquels ils doivent satisfaire.
1. Dispositif d'obturation d'un puits de forage, du type dit packer, comportant un élément
tubulaire central (7) recouvert d'un manchon périphérique déformable (5), à l'intérieur
duquel on injecte un fluide sous pression, de façon à déformer ledit manchon (5) et
l'appliquer sur les parois du puits de forage (3), le manchon déformable (5) étant
constitué d'un métal et la paroi interne du manchon (5) constituant au moins une chambre
annulaire (17) qui s'étend sur au moins une partie de la surface du manchon (5) et
qui est en communication, par un orifice (19), avec l'intérieur du packer, caractérisé en ce que cette chambre (17) est, avant l'injection du fluide sous pression, remplie d'un matériau
non miscible dans le liquide de forage.
2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (17) est constituée d'un alésage réalisé dans le manchon déformable (5),
qui est limité vers l'intérieur par la paroi externe d'un tube (7) ajusté dans le
manchon (5).
3. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau est constitué de ciment durci.
4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le métal est un alliage de cupronickel.
5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'alliage contient une quantité de nickel voisine de 10%.
6. Dispositif suivant l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que l'alliage est un alliage de type CuNi10FeMn1.
7. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface externe du manchon comprend des aspérités d'accrochage.
8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les creux entre les aspérités sont remplis, au moins en partie, d'un élastomère.
1. Vorrichtung vom Packertyp zum Verschließen eines Bohrloches, aufweisend ein zentrales
röhrenförmiges Element (7), das mit einer verformbaren peripheren Muffe (5) bedeckt
ist, in dessen Inneres ein unter Druck stehendes Fluid eingespritzt wird, derart,
dass die Muffe (5) verformt und an die Wände des Bohrloches (3) aufgedrückt wird,
wobei die verformbare Muffe (5) aus einem Metall gebildet ist und die Innenwand der
Muffe (5) mindestens eine ringförmige Kammer (17) bildet, die sich an mindestens einem
Abschnitt der Oberfläche der Muffe (5) erstreckt und durch eine Öffnung (19) mit dem
Inneren des Packers in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kammer (17) vor dem Einspritzen des unter Druck stehenden Fluids mit einem
in der Bohrungsflüssigkeit unmischbaren Material gefüllt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (17) aus einer Ausbohrung gebildet ist, die in der verformbaren Muffe
(5) ausgeführt ist, die nach Innen durch die Außenwand eines Rohrs (7) begrenzt ist,
das in die Muffe (5) eingepasst ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus gehärtetem Zement gebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine Kupfer-Nickel-Legierung ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnete dass die Legierung einen Nickelgehalt enthält, der 10 % benachbart ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine Legierung vom Typ CuNi10FeMn1 ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche der Muffe Aufhäng-Unebenheiten aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen zwischen den Unebenheiten zumindest teilweise mit einem Elastomer
gefüllt sind.
1. Device for obturating a wellbore, of the so-called packer type, comprising a central
tubular element (7) covered with a deformable peripheral sleeve (5), inside which
is injected a fluid under pressure so as to deform said sleeve (5) and apply it on
the walls of the wellbore (3), the deformable sleeve (5) being constituted by a metal
and the inner wall of the sleeve (5) constituting at least one annular chamber (17)
which extends over at least a part of the surface of the sleeve (5) and which is in
communication, via an orifice (19), with the interior of the packer, characterized in that this chamber (17) is, before the injection of the fluid under pressure, filled with
a material non-miscible in the wellbore liquid.
2. Device according to Claim 1, characterized in that the chamber (17) is constituted by a bore made in the deformable sleeve (5), which
is inwardly limited by the outer wall of a tube (7) fitted in the sleeve (5).
3. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that the material is constituted by hardened cement.
4. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that the metal is an alloy of cupronickel.
5. Device according to Claim 4, characterized in that the alloy contains a quantity of nickel close to 10%.
6. Device according to one of Clams 4 or 5, characterized in that the alloy is an alloy of CuNi10FeMnl type.
7. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that the outer surface of the sleeve comprises rough parts for catching.
8. Device according to Claim 7, characterized in that the hollows between the rough parts are filled, at least partly, with an elastomer.