EP3167148B1 - Elément tubulaire expansible portant un ou plusieurs joints d'étanchéité gonflables - Google Patents

Elément tubulaire expansible portant un ou plusieurs joints d'étanchéité gonflables Download PDF

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EP3167148B1
EP3167148B1 EP15731361.0A EP15731361A EP3167148B1 EP 3167148 B1 EP3167148 B1 EP 3167148B1 EP 15731361 A EP15731361 A EP 15731361A EP 3167148 B1 EP3167148 B1 EP 3167148B1
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EP
European Patent Office
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tubular element
seal
swelling
parts
annular
Prior art date
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EP15731361.0A
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German (de)
English (en)
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EP3167148A1 (fr
Inventor
Jean-Louis Saltel
Samuel Roselier
Robin LAUPIE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saltel Industries SAS
Original Assignee
Saltel Industries SAS
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12—Packers; Plugs
    • E21B33/1208—Packers; Plugs characterised by the construction of the sealing or packing means
    • E21B33/1216—Anti-extrusion means, e.g. means to prevent cold flow of rubber packing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/12—Packers; Plugs
    • E21B33/124—Units with longitudinally-spaced plugs for isolating the intermediate space
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/02—Subsoil filtering
    • E21B43/10—Setting of casings, screens, liners or the like in wells
    • E21B43/103—Setting of casings, screens, liners or the like in wells of expandable casings, screens, liners, or the like

Definitions

  • the invention relates to the field of drilling, including oil drilling and geothermal.
  • the invention relates to a device comprising a radially expandable tubular element which is intended to seal or plug a well or pipe and which comprises on its outer face one or more annular sealing modules.
  • a cylindrical jacket C of metal or radially expandable tubular element whose ends are fixed sealingly to the face on the outer surface of the pipe BP, for example via rings or rings B.
  • An opening O is formed in the wall of the pipe BP (it may be provided several openings), so as to communicate the internal space of the BP pipe with the annular space formed between the wall of the BP pipe and the shirt vs.
  • the jacket C is covered over all or part of its length with a layer of elastically deformable material, for example elastomer, which constitutes a "sheet”, or “strip”, annular sealing, a few millimeters thick.
  • a layer of elastically deformable material for example elastomer, which constitutes a "sheet”, or “strip”, annular sealing, a few millimeters thick.
  • the jacket can be covered with several sealing modules D, spaced apart from each other.
  • the jacket C, and in particular the sealing modules D, are fixed against the internal face of the casing, at the level of the zone to be sealed, by radial expansion.
  • This expansion operation is carried out, in the example illustrated, by hydroforming a fluid under pressure.
  • the sleeve C is shown in its initial state, when its wall is not yet deformed.
  • one or more elastomer sealing modules D are located at / opposite a cavity F formed in the inner wall of the well A. In this case, there is no contact between the wall internal well A and the D sealing module, thus creating a communication space between annular spaces EA1 and EA2 above. In other words, under these conditions, the seal is not satisfactory.
  • the document US 2004/055758 discloses a casing for a borehole bearing an elastomeric sleeve that can see its radial dimension increase along with the expansion of the casing to form an annular insulator.
  • the document WO 2006/121340 discloses a device for attaching an inflatable annular seal to a body by means of an adjustable end ring.
  • the invention therefore particularly aims to overcome all or part of the disadvantages of the prior art.
  • the object of the invention is, in at least one embodiment, to provide a radially expandable tubular element, especially by hydroforming, equipped on its outer face with one or more sealing modules that fully fulfill their function when they are applied to the wall of a casing or well.
  • the invention manages to fulfill all or part of these objectives by means of a radially expandable metal tubular element, which has on its outer face at least one annular sealing module, said annular sealing module comprises at least one seal ring in an inflatable material, said inflatable seal.
  • said at least one inflatable seal is disposed between two annular abutments fixed on said outer face of said tubular element.
  • the invention thus proposes a radially expandable tubular element, especially by hydroforming, equipped on its outer face with one or more sealing modules intended to be applied to the wall of a casing or well.
  • Each sealing module consists of at least one annular seal (or sealing ring) of inflatable or self-inflating material, such as an inflatable elastomer (in English "swelling elastomer") which swells on contact a fluid present in the well (water, mud or oil in particular).
  • an inflatable elastomer in English "swelling elastomer"
  • Such a seal is able to widen axially (within the limit established by the stops which are fixed on the expandable tubular element) and radially to come into contact with the wall of a casing or well, and to seal the seal. annular space between the tubular element and the wall.
  • such a seal is able to fill any cavities present in the wall.
  • such a seal is able to withstand mechanically, thermally and chemically attacks and the various constraints related to the application in question, while ensuring a perfect seal when it is applied with force against a casing or formation.
  • It may for example be manufactured from nitrile rubber (NBR), hydrogenated nitrile (HNBR) or even fluoroelastomers (FKM) such as Viton (trademark).
  • said tubular element further comprises two anti-extrusion rings each disposed between one of said annular abutments and said at least one inflatable seal.
  • These anti-extrusion rings eliminate, or at least limit, the extrusion of the inflatable seal when the latter is pressed against the inner wall of a cavity or a casing.
  • the rings maintain, therefore, an optimal seal.
  • each anti-extrusion ring is in two parts and comprises two beveled surfaces formed respectively on each of said parts, said beveled surfaces being located facing one another and being able to slide one relative to one another by axial movement (along the longitudinal axis of the tubular member) of said inflatable seal so as to cause radial displacement (perpendicular to the longitudinal axis of the tubular element) of one of said two parts.
  • each anti-extrusion ring is made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyetheretherketone (PEEK).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • said seal of inflatable material is sandwiched between two seals of non-inflatable material, said non-inflatable seals.
  • each seal of non-inflatable material is in two parts, said first and second parts, of different hardness.
  • the part having the least hardness, said first portion is juxtaposed to said seal of inflatable material.
  • the first part has a hardness of between 75 and 80 shore A.
  • the second part has a hardness of between 85 and 90 shore A.
  • the first and second parts are manufactured separately and are placed in contact on said tubular element.
  • the first and second parts are glued.
  • the first and second parts are formed in one piece (in other words, they are vulcanized together).
  • said inflatable material seal and the non-inflatable material seals are manufactured separately and are placed in contact on said tubular member.
  • said seal of inflatable material and non-inflatable material seals are manufactured separately and are glued.
  • said inflatable material seal and the non-inflatable material seals are integrally formed (in other words, they are vulcanized together).
  • said annular stops are made of metal.
  • an assembly of elements is proposed in association with the inflatable seal element to prevent the axial extrusion of the inflatable material (elastomer for example) and thus ensure a particularly effective seal.
  • the seal module may comprise a stack of three or more layers of inflatable and non-inflatable elastomer.
  • a seal of inflatable material may be placed coaxially sandwiched between two seals non-inflatable material.
  • the sealing module may consist of an annular seal of inflatable material placed between a first anti-extrusion ring and a second anti-extrusion ring.
  • the seal or seal (s) is / are connected (s) to said tubular element by a sliding pivot connection.
  • the inflatable seal is thus able to move axially on the expandable tubular element.
  • said inflatable seal is able to pass from a retracted mode in which it presents a first volume to an expanded mode in which it has a second volume greater than the first volume, said seal inflatable having a thickness less than or equal to the distance separating the two annular stops in the retracted mode.
  • Such an inflatable seal can thus pass from an uninflated mode in which it has a first volume to an expanded mode in which it has a second volume greater than the first volume and in which it seals the annular space between the element expandable tubular and the wall of a well or casing.
  • said tubular element is radially expandable by hydroforming.
  • the metal tubular element 1 is radially expandable by hydroforming. Although this is not illustrated, the tubular element 1 is sealingly attached at its ends to the outer face of a pipe, by means of rings or rings. At least one opening is formed in the wall of the pipe, so as to communicate its internal space with the space between the outer wall of the pipe and the tubular element 1.
  • the annular sealing module here comprises two annular metal stops 21 between which is inserted an annular seal 22 which is advantageously made of an inflatable elastomeric material.
  • the two annular metal stops 21 are fixed on the outer face of the tubular metal element 1, for example by welding.
  • the seal 22 is not fixed on the tubular element 1 and is thus free to pivot about the tubular element 1 and to move axially (along the longitudinal axis of the tubular element 1).
  • the tubular metal element 1 and the annular metal stops 21 are, for example, made of steel, and are able to deform plastically.
  • the annular seal 22 has in cross section a substantially rectangular shape, two opposite corners facing the inner wall of the well A being beveled.
  • Each of the annular metal stops 21 has in cross section a substantially triangular shape.
  • the Figure 4A shows the expanded metal tubular element 1 radially beyond its limit of elastic deformation.
  • the Figure 4B shows, in the expanded position of the tubular element 1 metal, the seal 22 in its inflated state, the upper surface of the seal 22 being curved.
  • the latter inflated in contact with the fluid (water, oil) present in the well A, and filled the space of the cavity F.
  • seal 22 is in contact with the annular metal stops 21.
  • the seal 22 expands radially outward (that is to say towards the inner wall of the well A) and axially towards the annular metal stops 21.
  • the seal 22 is sealingly applied against the inner wall of the well A.
  • the annular space EA1 is thus isolated in fluid communication and in pressure of the annular space EA2.
  • the seal 22 is subjected to a differential pressure. So that the differential pressure does not cause irreversible extrusion and degradation of the seal 22 (and thus the seal between the annular spaces EA1 and EA2), the annular metal stops 21 are configured to maintain axially the seal in sealing position.
  • the seal 22 which is inflated, is pressed / compressed in the axial direction against the stop 21 on the left.
  • the material constituting the seal 22 is redistributed, in a controlled, reversible manner, by the stop 21. It is understood that when the axial pressure is eliminated, the seal 22 resumes its position and its shape of the Figure 4B .
  • This embodiment differs only from the previous embodiment by the implementation of a non-inflatable seal 24 (elastomer for example) on either side of the inflatable seal 22.
  • the non-inflatable seals 24 do not lose their mechanical characteristics in contact with the fluid and over time, and thus prevent the extrusion of the inflatable seal 22.
  • the non-inflatable seals 24 serve as an anti-extrusion barrier of the inflatable seal 22.
  • the Figure 5A shows the tubular element 1 when it is not yet deformed before it is placed in the well A.
  • the seals 22, 24 are mounted around the tubular element 1 without being fixed thereto. They are spaced from the stops 21.
  • the seal 22 of inflatable material and the seals 24 of non-inflatable material are manufactured separately and are placed in contact on said tubular element.
  • the seal 22 of inflatable material and the seals 24 non-inflatable material are manufactured separately and are glued.
  • the seal 22 of inflatable material and the seals 24 of non-inflatable material are formed in one piece (in other words, they are vulcanized together).
  • the Figure 5B shows the expanded metal tubular element 1 in the well A.
  • the Figure 5C shows, in the expanded position of the metal tubular element 1, the seal 22 in its expanded state.
  • the latter has swollen in contact with the fluid (water, oil) present in the well A, and filled the space of the cavity F.
  • the seals 24 have moved axially under the effect of the swelling of the seal 22, and come to bear against the stops 21, thus preventing the inflatable seal 22 from extruding thereby reducing the effectiveness of the seal 22.
  • This figure 6 shows the tubular element 1 when it is not yet deformed and installed in a well or casing.
  • two non-inflatable seals 24 are disposed on either side of the inflatable seal 22.
  • Each non-inflatable seal 24 is composed of two parts 24A, 24B made of different elastomers and having different properties.
  • the elastomer of the portion 24B has a hardness of between 85 and 90 Shore A in this example, and the elastomer of the portion 24A has a hardness of between 75 and 80 Shore A. It is noted that a greater hardness gives a better resistance to extrusion.
  • the two parts 24A, 24B can be independent, and are, for example, manufactured separately and juxtaposed to the assembly (they are left free or glued).
  • the two parts 24A, 24B are integral, the two constituent elastomers being vulcanized together and forming one and the same bi-gum element.
  • the non-inflatable seal 24 may be composed of more than two parts 24A, 24B manufactured in different elastomers and having different properties.
  • the inflatable seal 22 is placed between two anti-extrusion rings 26, each of the anti-extrusion rings 26 being placed between the seal 22 and an annular metal stop 21, in contact with this last.
  • the anti-extrusion rings 26 are movably mounted on the tubular element 1.
  • Each anti-extrusion ring 26 comprises two parts 26A, 26B in the shape of a right triangle. These two parts 26A, 26B are arranged head to tail, so that their inclined surfaces (corresponding to the base of the triangle) are facing each other.
  • the anti-extrusion rings 26 are, for example, made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or polyetheretherketone (PEEK).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • the Figure 7A shows the tubular element 1 expanded metal.
  • FIG. 7B shows, in the expanded position of the tubular element 1 metal, the seal 22 inflated.
  • the latter has filled the cavity F and is in contact with the anti-extrusion rings 26
  • the portion 26B of the ring 26, and its bevelled surface, slides toward the stop 21 on the left, and by "wedge" effect is raised and cause the radial displacement outwards (towards the wall of the well A). of the portion 26A of the ring 26 until the portion 26A is against the wall.
  • the portions 26A, 26B of the left-hand ring 26 thus cooperate perfectly with the inflatable seal 22 so as to avoid the extrusion thereof and to ensure dynamic sealing between the tubular element 1 and the inner wall well A.
  • the figure 8A shows the tubular element 1 when it is not yet deformed and installed in a well or casing.
  • the inflatable seal 22 is placed between two anti-extrusion rings 26, each of the anti-extrusion rings 26 being placed between the seal 22 and an annular metal stop 21.
  • non-inflatable seals 24 are disposed on either side of the inflatable seal 22.
  • the Figure 8B shows the tubular element 1 expanded.
  • the Figure 8C shows, in the expanded position of the tubular member 1, the seal 22 inflated.
  • the portions 26A, 26B of the left ring 26 and the non-inflatable seal 24 located on the left perfectly cooperate with the inflatable seal 22 so as to avoid the extrusion thereof and to ensure the dynamic sealing between the tubular element 1 and the inner wall of the well A. It should be noted that other forms than those illustrated are possible for stops, seals and anti-extrusion rings.
  • anti-extrusion rings 26 with the gasket 22, 24 as described in connection with the figure 6 .

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Description

    1. Domaine de l'invention
  • L'invention se rapporte au domaine du forage, et notamment du forage pétrolier et géothermique.
  • L'invention concerne un dispositif comprenant un élément tubulaire radialement expansible qui est destiné à assurer l'étanchéité ou l'obturation d'un puits ou d'une canalisation et qui comprend sur sa face externe un ou plusieurs modules annulaires d'étanchéité.
    • 2. Solutions de l'art antérieur
  • Dans la suite de la description, l'invention sera décrite, à titre d'exemple, dans le domaine de la production pétrolière.
  • L'exploitation des puits, qu'ils soient verticaux ou horizontaux, nécessite de pouvoir étanchéifier certaines régions de ce puits par rapport à d'autres, par exemple pour délimiter une zone à l'intérieur de laquelle il sera possible d'intervenir ultérieurement.
  • Pour illustrer l'état de la technique en la matière, on a représenté sur les figures 1 et 2 annexées, une portion de conduite tubulaire métallique BP, connue sous la terminologie anglaise de « casing », qui est mise en place à l'intérieur d'un puits A (il pourrait toutefois s'agir d'un cuvelage).
  • Sur la surface externe de la conduite BP s'étend une chemise C cylindrique en métal (ou élément tubulaire radialement expnasible) dont les extrémités sont fixées de manière étanche à la face sur la surface externe de la conduite BP, par exemple par l'intermédiaire d'anneaux ou de bagues B.
  • Une ouverture O est ménagée dans la paroi de la conduite BP (il peut être prévu plusieurs ouvertures), de manière à faire communiquer l'espace interne de la conduite BP avec l'espace annulaire ménagé entre la paroi de la conduite BP et la chemise C.
  • De façon classique, la chemise C est recouverte sur toute ou partie de sa longueur d'une couche de matériau élastiquement déformable, par exemple en élastomère, laquelle constitue une « nappe », ou « bande », annulaire d'étanchéité, de quelques millimètres d'épaisseur. Dans une variante, illustrée sur la figure 1, la chemise peut être recouverte de plusieurs modules d'étanchéité D, espacés les uns des autres.
  • La chemise C, et en particulier les modules d'étanchéité D, sont fixés contre la face interne du cuvelage, au niveau de la zone à étanchéifier, par expansion radiale. Cette opération d'expansion est réalisée, dans l'exemple illustré, par hydroformage d'un fluide sous pression.
  • Sur la figure 1, la chemise C est représentée dans son état initial, lorsque sa paroi n'est pas encore déformée.
  • Comme illustré sur la figure 2, lorsqu'une pression prédéterminée de fluide (préférentiellement un liquide tel que de l'eau) est mise en oeuvre à l'intérieur de la conduite BP (ceci est illustré par les flèches), cette pression est communiquée à l'intérieur de la chemise C, via l'ouverture O, qui s'expanse radialement (par rapport à l'axe X-X') au-delà de sa limite de déformation élastique. Ce faisant, les modules d'étanchéité D de matériau élastomère rentrent en contact avec la paroi interne du puits A et viennent se comprimer contre cette dernière de façon à isoler de manière étanche les espaces annulaires EA1 et EA2 qui sont disposés de part et d'autre de la chemise.
  • On a référencé Z sur la figure 2, une zone qui est représentée de manière agrandie sur la figure 3.
  • Il se peut que lors de l'opération d'expansion de la chemise C illustrée sur la figure 2, un ou plusieurs des modules d'étanchéité D en élastomère soient situés au niveau/en face d'une cavité F formée dans la paroi interne du puits A. Dans ce cas de figure, il n'y a plus de contact entre la paroi interne du puits A et le module d'étanchéité D, créant ainsi un espace de communication entre les espaces annulaires EA1 et EA2 précités. En d'autres termes, dans ces conditions, l'étanchéité n'est pas satisfaisante.
  • En outre, indépendamment de la forme de la paroi interne du puits A, il se peut que la pression différentielle entre les espaces annulaires EA1 et EA2 provoquent l'extrusion et la déformation irréversible d'un ou plusieurs des modules d'étanchéité D, ce qui réduit de ce fait l'efficacité des modules d'étanchéité D. Le document US 2004/055758 décrit un tubage pour un trou de forage portant un manchon en élastomère qui peut voir sa dimension radiale augmenter en même temps que l'expansion du tubage afin de former un isolateur annulaire. Le document WO 2006/121340 décrit un dispositif de fixation d'une garniture d'étanchéité annulaire gonflable sur un corps au moyen d'une bague d'extrémité réglable.
    • 3. Objectifs de l'invention
  • L'invention a donc notamment pour objectif de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur.
  • Plus précisément, l'invention a pour objectif, dans au moins un mode de réalisation, de fournir un élément tubulaire expansible radialement, par hydroformage notamment, équipé sur sa face externe d'un ou plusieurs modules d'étanchéité qui remplissent pleinement leur fonction lorsqu'ils sont appliqués sur la paroi d'un cuvelage ou d'un puits.
  • Cette fonction d'étanchéité devra être assurée quelque que soit le milieu liquide ou gazeux dans lequel est mise en oeuvre l'expansion.
  • Un autre objectif de l'invention, dans au moins un mode de réalisation, est de fournir un tel élément :
    • qui est simple à mettre en oeuvre ;
    • qui conserve ses qualités d'étanchéité sur une plage large de températures et de pressions ;
    • qui présente une bonne tenue dans le temps ;
    • qui est compact et ne cause pas une augmentation trop importante du diamètre extérieur de l'élément tubulaire.
    4. Résumé de l'invention
  • L'invention parvient à remplir tout ou partie de ces objectifs grâce à un élément tubulaire métallique expansible radialement, qui comporte sur sa face externe au moins un module annulaire d'étanchéité, ledit module annulaire d'étanchéité comprend au moins un joint d'étanchéité annulaire en un matériau gonflable, dit joint d'étanchéité gonflable. Selon l'invention, ledit au moins un joint d'étanchéité gonflable est disposé entre deux butées annulaires fixées sur ladite face externe dudit élément tubulaire. L'invention propose ainsi un élément tubulaire expansible radialement, par hydroformage notamment, équipé sur sa face externe d'un ou plusieurs modules d'étanchéité destinés à être appliqués sur la paroi d'un cuvelage ou d'un puits.
  • Chaque module d'étanchéité est constitué d'au moins un joint d'étanchéité annulaire (ou bague d'étanchéité) en matériau gonflable ou auto-gonflant, tel qu'un élastomère gonflable (en anglais "swelling elastomer") qui gonfle au contact d'un fluide présent dans le puits (eau, boue ou pétrole notamment). Un tel joint est apte à s'élargir axialement (dans la limite établie par les butées qui sont fixées sur l'élément tubulaire expansible) et radialement pour venir en contact avec la paroi d'un cuvelage ou d'un puits, et étanchéifier l'espace annulaire entre l'élément tubulaire et la paroi. En outre, un tel joint est apte à venir combler les éventuelles cavités présentes dans la paroi. Par ailleurs, un tel joint est apte à résister mécaniquement, thermiquement et chimiquement aux agressions ainsi qu'aux différentes contraintes liées à l'application considérée, tout en assurant une parfaite étanchéité lorsqu'il est appliqué avec force contre un cuvelage ou une formation. Il peut par exemple être fabriqué en caoutchouc nitrile (NBR), en nitrile Hydrogéné (HNBR) ou bien encore en Fluoroélastomères (FKM) tel que le Viton (marque déposée).
  • Selon une caractéristique particulière, ledit élément tubulaire comprend en outre deux bagues anti-extrusion disposées chacune entre une desdites butées annulaires et ledit au moins joint d'étanchéité gonflable.
  • Ces bagues anti-extrusion suppriment, ou à tout le moins limitent, l'extrusion du joint d'étanchéité gonflable lorsque ce dernier est comprimé contre la paroi interne d'une cavité ou d'un cuvelage. Les bagues maintiennent, de ce fait, une étanchéité optimale.
  • Selon une caractéristique particulière, chaque bague anti-extrusion est en deux parties et comprend deux surfaces en biseau ménagées respectivement sur chacune desdites parties, lesdites surfaces en biseau étant situées en regard l'une de l'autre et étant aptes à coulisser l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'un mouvement axial (selon l'axe longitudinal de l'élément tubulaire) dudit joint d'étanchéité gonflable de façon à provoquer un déplacement radial (perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'élément tubulaire) de l'une desdites deux parties.
  • Selon une caractéristique particulière, chaque bague anti-extrusion est en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou polyétheréthercétone (PEEK).
  • Selon une caractéristique particulière, ledit joint d'étanchéité en matériau gonflable est placé en sandwich entre deux joints d'étanchéité en matériau non gonflable, dits joints d'étanchéité non gonflables.
  • Selon une caractéristique particulière, chaque joint d'étanchéité en matériau non gonflable est en deux parties, dites première et deuxième parties, de dureté différente.
  • Selon une caractéristique particulière, la partie présentant la moins grande dureté, dite première partie, est juxtaposée audit joint d'étanchéité en matériau gonflable.
  • Selon une caractéristique particulière, la première partie présente une dureté comprise entre 75 et 80 shore A.
  • Selon une caractéristique particulière, la deuxième partie présente une dureté comprise entre 85 et 90 shore A.
  • Selon une caractéristique particulière, les première et deuxième parties sont fabriquées séparément et sont placées en contact sur ledit élément tubulaire.
  • Selon une caractéristique particulière, les première et deuxième parties sont collées.
  • Selon une caractéristique particulière, les première et deuxième parties sont formées en un seul bloc (en d'autres termes, elles sont vulcanisés ensemble).
  • Selon une caractéristique particulière, ledit joint d'étanchéité en matériau gonflable et les joints d'étanchéité en matériau non gonflable sont fabriquées séparément et sont placés en contact sur ledit élément tubulaire.
  • Selon une caractéristique particulière, ledit joint d'étanchéité en matériau gonflable et les joints d'étanchéité en matériau non gonflable sont fabriquées séparément et sont collés.
  • Selon une caractéristique particulière, ledit joint d'étanchéité en matériau gonflable et les joints d'étanchéité en matériau non gonflable sont formés en un seul bloc (en d'autres termes, ils sont vulcanisés ensemble).
  • Selon une caractéristique particulière, lesdites butées annulaires sont en métal.
  • Ainsi, on propose un assemblage d'éléments en association avec l'élément d'étanchéité gonflable pour empêcher l'extrusion axiale de la matière gonflable (élastomère par exemple) et assurer ainsi une étanchéité particulièrement efficace.
  • Le module d'étanchéité peut comprendre un empilage de trois couches, ou plus, d'élastomère gonflable et non gonflable. Ainsi, un joint d'étanchéité en matériau gonflable peut être placé coaxialement en sandwich entre deux joints d'étanchéité en matériau non gonflable.
  • Le module d'étanchéité peut être constitué d'un joint annulaire en matériau gonflable placé entre une première bague anti-extrusion et une deuxième bague anti-extrusion.
  • Selon une caractéristique particulière, le ou les joint(s) d'étanchéité est/sont relié(s) audit élément tubulaire par une liaison pivot glissant.
  • Le joint d'étanchéité gonflable est ainsi apte à se déplacer axialement sur l'élément tubulaire expansible.
  • Selon une caractéristique particulière, ledit joint d'étanchéité gonflable est apte à passer d'un mode rétracté dans lequel il présente un premier volume à un mode dilaté dans lequel il présente un second volume plus important que le premier volume, ledit joint d'étanchéité gonflable ayant une épaisseur inférieure ou égale à la distance séparant les deux butées annulaires dans le mode rétracté.
  • Un tel joint gonflable peut ainsi passer d'un mode non gonflé dans lequel il présente un premier volume à un mode expansé dans lequel il présente un second volume plus important que le premier volume et dans lequel il étanche l'espace annulaire entre l'élément tubulaire expansible et la paroi d'un puits ou cuvelage.
  • Selon une caractéristique particulière, ledit élément tubulaire est expansible radialement par hydroformage.
    • 5. Liste des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages de la technique décrite apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
    • les figures 1 et 2 sont des vues schématiques, selon un plan de coupe longitudinal, d'un dispositif d'isolation conforme à l'état de la technique, respectivement à l'état d'origine et une fois déformé radialement ;
    • la figure 3 est une vue de détail d'une zone Z de la figure 2 ;
    • les figures 4A à 4C sont des vues en coupe schématique longitudinale d'un dispositif d'isolation d'une partie d'un puits de forage selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • les figures 5A à 5D représentent un deuxième mode de réalisation du dispositif de l'invention ;
    • la figure 6 représente un troisième mode de réalisation du dispositif de l'invention ;
    • les figures 7A à 7C représentent un quatrième mode de réalisation du dispositif de l'invention ;
    • les figures 8A à 8D représentent un cinquième mode de réalisation du dispositif de l'invention.
    6. Description
  • On présente par la suite cinq modes de réalisation de l'élément tubulaire 1 conforme à l'invention.
  • Il comprend sur sa face externe 10 un ou plusieurs modules d'étanchéité 2 espacés les uns des autres.
  • Toutefois, sur les figures, seule une partie, à savoir la partie supérieure de l'élément tubulaire 1 et d'un module d'étanchéité 2, est représentée.
  • Ces figures illustrent une application particulière de l'élément tubulaire 1 conforme à l'invention, à savoir l'isolation d'un puits de forage.
  • On décrit en référence aux figures 4A à 4C un premier mode de réalisation de l'invention.
  • L'élément tubulaire 1 métallique est expansible radialement par hydroformage. Bien que ceci ne soit pas illustré, l'élément tubulaire 1 est fixé de manière étanche à ses extrémités à la face externe d'une conduite, par l'intermédiaire d'anneaux ou de bagues. Au moins une ouverture est ménagée dans la paroi de la conduite, de manière à faire communiquer son espace interne avec l'espace ménagé entre la paroi externe de la conduite et l'élément tubulaire 1.
  • Le module annulaire d'étanchéité comprend ici deux butées 21 métalliques annulaires entre lesquelles est inséré un joint d'étanchéité 22 annulaire qui est avantageusement en matériau élastomère gonflable.
  • Les deux butées 21 métalliques annulaires sont fixées sur la face externe de l'élément tubulaire 1 métallique, par soudage par exemple. Le joint d'étanchéité 22 n'est pas fixée sur l'élément tubulaire 1 et est ainsi libre de pivoter autour de l'élément tubulaire 1 et de se déplacer axialement (selon l'axe longitudinal de l'élément tubulaire 1).
  • L'élément tubulaire 1 métallique et les butées 21 métalliques annulaires sont, par exemple, en acier, et sont aptes à se déformer plastiquement.
  • Le joint d'étanchéité 22 annulaire présente en section transversale une forme sensiblement rectangulaire, deux des coins opposés en regard de la paroi interne du puits A étant en biseau.
  • Chacune des butées 21 métalliques annulaires présente en section transversale une forme sensiblement triangulaire.
  • La figure 4A montre l'élément tubulaire 1 métallique expansé radialement, au-delà de sa limite de déformation élastique.
  • Le joint d'étanchéité 22, qui est ici rétracté (c'est-à-dire non gonflé) vient au contact de la paroi interne du puits A, et est situé en regard de la cavité F formée dans la paroi interne du puits A.
  • On note que les surfaces latérales du joint d'étanchéité 22 ne sont pas en contact avec les butées 21 métalliques annulaires (il existe donc un jeu entre le joint d'étanchéité 22 et les butées 21), et que sa surface supérieure est plane.
  • La figure 4B montre, dans la position expansée de l'élément tubulaire 1 métallique, le joint d'étanchéité 22 dans son état gonflé, la surface supérieure du joint d'étanchéité 22 étant incurvée. Ce dernier a gonflé au contact du fluide (eau, pétrole) présent dans le puits A, et comblé l'espace de la cavité F.
  • Par ailleurs, le joint d'étanchéité 22 est en contact avec les butées 21 métalliques annulaires.
  • En d'autres termes, au contact du fluide, le joint d'étanchéité 22 se dilate radialement vers l'extérieur (c'est-à-dire vers la paroi interne du puits A) et axialement vers les butées 21 métalliques annulaires.
  • Une fois gonflé, le joint d'étanchéité 22 s'applique de manière étanche contre la paroi interne du puits A.
  • L'espace annulaire EA1 est ainsi isolé en communication de fluide et en pression de l'espace annulaire EA2.
  • Si la pression dans les espaces annulaires EA1 et EA2 est différente, le joint d'étanchéité 22 est soumis à une pression différentielle. De façon à ce que la pression différentielle ne provoque pas une extrusion irréversible et une dégradation du joint d'étanchéité 22 (et donc de l'étanchéité entre les espaces annulaires EA1 et EA2), les butées 21 métalliques annulaires sont configurées pour maintenir axialement le joint en position d'étanchéification.
  • Sur la figure 4C, on constate que l'application d'une pression différentielle (illustrée par les flèches à droite) entre les espaces annulaires EA1 et EA2 a pour effet de déplacer le joint d'étanchéité 22 axialement en direction de la butée 21 située à gauche. Le joint d'étanchéité 22 se comporte ainsi de façon dynamique.
  • Sur la figure 4C, le joint d'étanchéité 22, qui est gonflé, est plaqué/comprimé dans le sens axial contre la butée 21 située à gauche. Le matériau constituant le joint d'étanchéité 22 fait l'objet d'une nouvelle répartition, d'une manière contrôlée, réversible, par la butée 21. On comprend que lorsque la pression axiale est supprimée, le joint d'étanchéité 22 reprend sa position et sa forme de la figure 4B.
  • On note qu'il existe un faible jeu d'extrusion «j» entre la butée 21 métallique annulaire et la paroi interne du puits A. Ce faible jeu d'extrusion « j » maintient une étanchéité optimale, même lorsque la pression différentielle est relativement importante.
  • On décrit en référence aux figures 5A à 5D un deuxième mode de réalisation de l'invention.
  • Cette variante de réalisation diffère uniquement de la précédente par la mise en oeuvre d'un joint d'étanchéité 24 non gonflable (en élastomère par exemple) de part et d'autre du joint d'étanchéité 22 gonflable. Les joints d'étanchéité 24 non gonflables ne perdent pas leurs caractéristiques mécaniques au contact du fluide et au cours du temps, et permettent ainsi d'éviter l'extrusion du joint d'étanchéité 22 gonflable.
  • En d'autres termes, les joints d'étanchéité 24 non gonflables servent de barrière anti-extrusion du joint d'étanchéité 22 gonflable.
  • La figure 5A montre l'élément tubulaire 1 lorsqu'il n'est pas encore déformé avant sa mise en place dans le puits A. Les joints d'étanchéité 22, 24 sont montés autour de l'élément tubulaire 1 sans être fixés sur ce dernier. Ils sont espacés des butées 21.
  • Selon une première approche, le joint d'étanchéité 22 en matériau gonflable et les joints d'étanchéité 24 en matériau non gonflable sont fabriquées séparément et sont placés en contact sur ledit élément tubulaire.
  • Selon une deuxième approche, le joint d'étanchéité 22 en matériau gonflable et les joints d'étanchéité 24 en matériau non gonflable sont fabriquées séparément et sont collés.
  • Selon une troisième approche, le joint d'étanchéité 22 en matériau gonflable et les joints d'étanchéité 24 en matériau non gonflable sont formés en un seul bloc (en d'autres termes, ils sont vulcanisés ensemble).
  • La figure 5B montre l'élément tubulaire 1 métallique expansée dans le puits A.
  • La figure 5C montre, dans la position expansée de l'élément tubulaire métallique 1, le joint d'étanchéité 22 dans son état dilaté. Ce dernier a gonflé au contact du fluide (eau, pétrole) présent dans le puits A, et comblé l'espace de la cavité F. Les joints d'étanchéité 24 se sont déplacés axialement sous l'effet du gonflement du joint d'étanchéité 22, et viennent en appui contre les butées 21, empêchant ainsi le joint d'étanchéité 22 gonflable de s'extruder ce qui réduirait de ce fait l'efficacité du joint d'étanchéité 22.
  • Sur la figure 5D, on constate que l'application d'une pression différentielle (illustrée par les flèches à droite) entre les espaces annulaires EA1 et EA2 a pour effet de plaquer/comprimer le joint d'étanchéité 22 dans le sens axial contre la butée 21 située à gauche, la barrière anti-extrusion étant réalisée par le joint d'étanchéité 24 non gonflable situé à gauche du joint d'étanchéité 22.
  • On décrit en référence à la figure 6 un troisième mode de réalisation de l'invention.
  • Cette figure 6 montre l'élément tubulaire 1 lorsqu'il n'est pas encore déformé et installé dans un puits ou cuvelage.
  • Dans cette variante de réalisation, deux joints d'étanchéité 24 non gonflables (en élastomère par exemple) sont disposés de part et d'autre du joint d'étanchéité 22 gonflable.
  • Chaque joint d'étanchéité 24 non gonflables est composé de deux parties 24A, 24B fabriqués dans des élastomères différents et présentant des propriétés différentes. Ainsi, l'élastomère de la partie 24B présente une dureté comprise entre 85 et 90 shore A dans cet exemple, et l'élastomère de la partie 24A présente une dureté comprise entre 75 et 80 shore A. On note qu'une plus grande dureté confère une meilleure tenue à l'extrusion.
  • Les deux parties 24A, 24B peuvent être indépendantes, et sont, par exemple, fabriquées séparément et juxtaposées au montage (elles sont laissées libres ou collées).
  • Dans une variante, les deux parties 24A, 24B sont solidaires, les deux élastomères les constituant étant vulcanisés ensemble et formant un seul et même élément bi-gomme.
  • Dans une autre variante, le joint d'étanchéité 24 non gonflable peut être composé de plus de deux parties 24A, 24B fabriqués dans des élastomères différents et présentant des propriétés différentes.
  • On décrit en référence aux figures 7A à 7C un quatrième mode de réalisation de l'invention.
  • Dans cette variante de réalisation, le joint d'étanchéité 22 gonflable est placé entre deux bagues anti-extrusion 26, chacune des bagues anti-extrusion 26 étant placée entre le joint d'étanchéité 22 et une butée métallique annulaire 21, en contact avec cette dernière. Les bagues anti-extrusion 26 sont montées mobiles sur l'élément tubulaire 1.
  • Chaque bague anti-extrusion 26 comprend deux parties 26A, 26B en forme de triangle rectangle. Ces deux parties 26A, 26B sont disposées tête bêche, de façon que leurs surfaces inclinées (correspondant à la base du triangle) respectives se fassent face.
  • Les bagues anti-extrusion 26 sont, par exemple, réalisées en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou polyétheréthercétone (PEEK).
  • La figure 7A montre l'élément tubulaire 1 métallique expansé.
  • La figure 7B montre, dans la position expansée de l'élément tubulaire 1 métallique, le joint d'étanchéité 22 gonflé. Ce dernier a rempli la cavité F et est en contact avec les bagues anti-extrusion 26
  • Sur la figure 7C, on constate que l'application d'une pression différentielle (illustrée par les flèches à droite) entre les espaces annulaires EA1 et EA2 a pour effet de plaquer/comprimer le joint d'étanchéité 22 dans le sens axial contre la bague anti-extrusion 26 située à gauche. Plus précisément, la pression appliquée dans l'espace annulaire EA2 passe entre la butée 21 située à droite et la paroi interne du puits A, puis entre la bague anti-extrusion 26 située à droite et la paroi interne du puits A. Ceci pour effet de plaquer le joint d'étanchéité 22 contre la partie 26B de la bague 26 située à gauche de la figure 7C.
  • La partie 26B de la bague 26, et sa surface en biseau, coulisse vers la butée 21 de gauche, et par effet de « coin » vient soulever et provoquer le déplacement radial vers l'extérieur (en direction de la paroi du puits A) de la partie 26A de la bague 26 jusqu'à ce que la partie 26A s'applique contre la paroi.
  • Les parties 26A, 26B de la bague 26 de gauche coopèrent ainsi parfaitement avec le joint d'étanchéité 22 gonflable de façon à éviter l'extrusion de celui-ci et à assurer l'étanchéité dynamique entre l'élément tubulaire 1 et la paroi interne du puits A.
  • On décrit en référence aux figures 8A à 8D un cinquième mode de réalisation de l'invention. Cette variante de réalisation diffère uniquement de la précédente par la mise en oeuvre d'un joint d'étanchéité 24 non gonflable (en élastomère par exemple) de part et d'autre du joint d'étanchéité 22 gonflable.
  • La figure 8A montre l'élément tubulaire 1 lorsqu'il n'est pas encore déformé et installé dans un puits ou cuvelage.
  • Dans cette variante de réalisation, le joint d'étanchéité 22 gonflable est placé entre deux bagues anti-extrusion 26, chacune des bagues anti-extrusion 26 étant placée entre le joint d'étanchéité 22 et une butée 21 métallique annulaire.
  • En outre, deux joints d'étanchéité 24 non gonflables sont disposés de part et d'autre du joint d'étanchéité 22 gonflable.
  • La figure 8B montre l'élément tubulaire 1 expansée.
  • La figure 8C montre, dans la position expansée de l'élément tubulaire 1, le joint d'étanchéité 22 gonflé.
  • Sur la figure 8D, on constate que l'application d'une pression différentielle (illustrée par les flèches à droite) entre les espaces annulaires EA1 et EA2 a pour effet de plaquer/comprimer le joint d'étanchéité 22 et le joint d'étanchéité 24 non gonflable situé à gauche dans le sens axial contre la bague anti-extrusion 26 située à gauche. La partie 26B de la bague 26, et sa surface en biseau, coulisse vers la butée 21 de gauche, et par effet de « coin » vient soulever et provoquer le déplacement radial vers l'extérieur (en direction de la paroi du puits A) de la partie 26A de la bague 26 jusqu'à ce que la partie 26A s'applique contre la paroi.
  • Les parties 26A, 26B de la bague 26 de gauche et le joint d'étanchéité 24 non gonflable situé à gauche coopèrent ainsi parfaitement avec le joint d'étanchéité 22 gonflable de façon à éviter l'extrusion de celui-ci et à assurer l'étanchéité dynamique entre l'élément tubulaire 1 et la paroi interne du puits A. Il est à noter que d'autres formes que celles illustrées sont envisageables pour les butées, les joints d'étanchéité et les bagues anti-extrusion.
  • Par ailleurs, il peut être envisagé d'associer des bagues anti-extrusion 26 au joint d'étanchéité 22, 24 tel que décrit en relation avec la figure 6.

Claims (20)

  1. Elément tubulaire (1) métallique expansible radialement, qui comporte sur sa face externe au moins un module annulaire d'étanchéité (2), ledit module annulaire d'étanchéité (2) comprenant au moins un joint d'étanchéité annulaire en un matériau gonflable, dit joint d'étanchéité gonflable (22),
    caractérisé en ce que ledit au moins un joint d'étanchéité gonflable (22) est disposé entre deux butées annulaires (21) fixées sur ladite face externe dudit élément tubulaire (1).
  2. Elément tubulaire (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre deux bagues anti-extrusion (26) disposées chacune entre une desdites butées annulaires (21) et ledit au moins un joint d'étanchéité gonflable (22).
  3. Elément tubulaire (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bague anti-extrusion (26) est en deux parties (26A, 26B) et comprend deux surfaces en biseau ménagées respectivement sur chacune desdites parties (26A, 26B), lesdites surfaces en biseau étant situées en regard l'une de l'autre et étant aptes à coulisser l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'un mouvement axial dudit joint d'étanchéité gonflable (22) de façon à provoquer un déplacement radial de l'une desdites deux parties (26A, 26B).
  4. Elément tubulaire (1) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque bague anti-extrusion (26) est en polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou polyétheréthercétone (PEEK).
  5. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) est placé en sandwich entre deux joints d'étanchéité en matériau non gonflable, dits joints d'étanchéité non gonflables (24).
  6. Elément tubulaire (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque joint d'étanchéité non gonflable (24) est en deux parties (24A, 24B), dites première et deuxième parties, de dureté différente.
  7. Elément tubulaire (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie présentant la moins grande dureté, dite première partie (24A), est juxtaposée audit joint d'étanchéité gonflable (22).
  8. Elément tubulaire (1) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la première partie (24A) présente une dureté comprise entre 75 et 80 shore A.
  9. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la deuxième partie (24B) présente une dureté comprise entre 85 et 90 shore A.
  10. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les première et deuxième parties (24A, 24B) sont fabriquées séparément et sont placées en contact sur ledit élément tubulaire (1).
  11. Elément tubulaire (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que les première et deuxième parties (24A, 24B) sont collées.
  12. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que les première et deuxième parties (24A, 24B) sont formées en un seul bloc.
  13. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) et les joints d'étanchéité non gonflables (24) sont fabriquées séparément et sont placés en contact sur ledit élément tubulaire (1).
  14. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) et les joints d'étanchéité non gonflables (24) sont fabriquées séparément et sont collés.
  15. Elément tubulaire selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) et les joints d'étanchéité non gonflables (24) sont formés en un seul bloc.
  16. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que lesdites butées annulaires (21) sont en métal.
  17. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le ou lesdits joints d'étanchéité (22, 24) est/sont reliés audit élément tubulaire (1) par une liaison pivot glissant.
  18. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) est apte à passer d'un mode rétracté dans lequel il présente un premier volume à un mode dilaté dans lequel il présente un second volume plus important que le premier volume, ledit joint d'étanchéité gonflable (22) ayant une épaisseur inférieure ou égale à la distance séparant les butées annulaires (21) dans le mode rétracté.
  19. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité gonflable (22) est en caoutchouc nitrile (NBR), en nitrile Hydrogéné (HNBR) ou bien en Fluoroélastomère (FKM).
  20. Elément tubulaire (1) selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire (1) est expansible radialement par hydroformage.
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