Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
~VO 94/25655 PCT/FR94/00484
21 6203 5
STRUCTURE TUBULAIRE DE PRÉFORME OU DE MATRICE
POUR LE TUBAGE D'UN PUITS
La présente invention concerne une structure tubulaire de
préforme ou de matrice pour le tubage d'un puits, notamment d'un puits de
forage pétrolier.
Dans la présente description, et dans les revendications, on
entendra par le terme "tubage" un tube de consolidation d'un puits, par le
terme "préforme" une structure tubulaire qui est initialement souple et est
ensuite durcie pour se lier intimement et à demeure contre la paroi d'un
puits (constituant ainsi un tubage), par le terme "matrice" une structure
souple et récupérable servant d'outil pour dilater la préforme et l'appliquer
contre la paroi du puits avant son durcisement.
Le terme "tubing de production" vise un tube coaxial à un
tubage, et de plus petit diamètre, permettant de véhiculer le fluide produit
par le puits (eau ou pétrole notamment).
Le centrage et l'étanchéité de ce "tubing" dans le tubage sont
réalisés au moyen d'un obturateur gonflable hydrauliquement, couramment
désigné par le terme anglais "packer".
Pour le tubage d'un puits de forage pétrolier, ainsi que pour
des applications similaires, il a déjà été proposé des préformes tubulaires
souples et durcissables, destinées à être mises en place à l'état plié - état
dans lequel elles possèdent un encombrement radial faible - puis à être
dépliées radialement, par application d'une pression intérieure. Selon cette
technique, qui est notamment décrite dans les documents FR-A-2 662 207
et FR-A-2 668 241, la préforme possède, après déploiement radial, une
forme strictement cylindrique, de diamètre bien déterminé.
Après mise en place dans un puits ou une canalisation, on
procède au durcissement de la paroi de la préforme, par exemple par
polymérisation de cette paroi qui a une structure composite composée d'une
résine imprégrant des manches fil_amentaires. Ces manches assurent que la
préforme est inextensible radialement.
Selon ces techniques, il est nécessaire de prévoir un diamètre
de tubage déployé qui soit légèrement inférieur au diamètre du trou à
WO 94125655 PCT/FR94/00484
2
21 62.03 5
tuber de telle sorte que la paroi du trou ne vienne pas modifier la forme
cylindrique du tubage. L'espace annulaire ainsi formé, même s'il est très
réduit, voire nul par endroits, doit être le plus souvent rempli par un
ciment pour parfaire l'étanchéité entre le trou et le tubage posé.
Par ailleurs, dans sa forme repliée, la préforme tubulaire
possède une section radiale inférieure de la moitié environ de sa section
radiale développée, ce qui dans la plupart des cas est suffisant, mais peut
s'avérer insuffisant pour certaines applications. C'est pourquoi, l'objectif
de
la présente invention est de résoudre ce problème en proposant une
préforme dont la structure présente une géométrie déformable apte à venir
s'appliquer sur les parois du trou à tuber (ou du tubage à chemiser) sans
toutefois dépasser certaines limites, cette déformation étant maîtrisée et
variable en fonction des différentes applications.
Un autre objectif de l'invention est de proposer une préforme
dont le degré d'expansion soit nettement supérieur à ceux obtenus avec les
dispositifs connus du genre précité, l'expansion de la préforme se faisant en
deux étapes, tout d'abord par déploiement radial, puis par expansion
radiale.
Pour parvenir à ce résultat, l'invention propose une structure
tubulaire tressée, qui sera décrite plus loin, cette structure pouvant
également s'appliquer à une matrice radialement expansible, c'est-à-dire à
un outil amovible (et réutilisable) servant à l'expansion d'une préforme en
vue du tubage d'un puits, que cette préforme possède ou non la structure
selon l'invention.
Ces résultats sont atteints, conformément à l'invention, grâce
au fait que la structure tubulaire de préforme ou de matrice proposée
comprend au moins un tressage de mèches souples composées de fibres, qui
s'entrecroisent avec un certain jeu, de sorte que cette structure peut
s'expanser radialement tout en se restreignant en direction axiale sous
l'effet de l'application d'une surpression à l'intérieur de la préforme ou de
la matrice.
Dans un mode de réalisation préférentiel, ce tressage
comprend deux séries de mèches s'entrecroisant symétriquement de part et
d'autre des génératrices de la structure tubulaire, c'est-à-dire par rapport à
son axe longitudinal, les mèches de chaque série étant parallèles entre
elles.
NO 94/25655 PCT/FR94/00484
3
21 620 5
De préférence, chacune des séries de mèches forme un angle
aigu avec l'axe longitudinal qui est compris entre 10° et 30°,
et est de
préférence de l'ordre de 20°, lorsque la structure se trouve dans son
état
radialement contracté, tandis que cet angle est compris entre 50° et
70°
lorsque la structure se trouve dans son état radialement expansé.
De préférence, les mèches sont plates, affectant la forme de
rubans.
La préforme tubulaire, qui fait également l'objet de
l'invention, est remarquable par le fait qu'elle possède une structure telle
que décrite ci-dessus.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la préforme possède
une paroi en matériau composite, formée d'un milieu fluide et durcissable
dans lequel est noyée ladite structure, ce milieu étant confiné entre des
peaux intérieure et extérieure en matériau élastique.
Du reste, la peau intérieure pourraît être la paroi même de la
matrice.
De préférence ce matériau est une résine durcissable, par
exemple polymérisable à chaud.
Dans un mode de réalisation possible, la peau extérieure
possède des reliefs, par exemple sous forme de renflements annulaires.
Avantageusement, la structure comprend plusieurs structures
élémentaires tubulaires coaxiales qui sont conformes à l'invention, ces
différentes structures tubulaires étant emmanchées les unes dans les autres
avec possibilité de glissement relatif.
De préférence, la structure est suffisamment souple pour
pouvoir être repliée sur elle-même longitudinalement lorsque la structure
se trouve dans son état radialement contracté.
Ainsi, si on a affaire à une préforme, au cours de sa mise en
place dans le puits ou dans la canalisation, on commence par la déplier à
partir d'une extrémité afin de lui donner une forme approximativement
cylindrique, puis on procède à son expansion radiale, par déformation de la
structure ; le déploiement par dépliage et l'expansion subséquente sont
réalisés par application d'un fluide à l'intérieur de la préforme.
L'invention a également pour objet une matrice tubulaire à
paroi souple et radialement expansible, destinée à venir s'appliquer
WO 94/25655 PCTIFR94I00484
4
21 fi203 5
radialement contre la parci intérieure d'une préforme avant et pendant le
durcissement de celle-ci, en vue de réaliser le tubage d'un puits, et
notamment d'un puits de forage pétrolier.
La paroi de la matrice est munie d'au moins une structure
tubulaire liée à un support élastique (également tubulaire, et étanche) et
comprenant un tressage de mèches souples composées de fibres, qui
s'entrecroisent avec un certain jeu, de sorte que cette structure et son
support peuvent s'expanser conjointement en direction radiale, tout en se
restreignant en direction axiale, sous l'effet d'une pression interne, tandis
qu'inversement, elles peuvent se rétreindre radialement en s'allongeant
axialement sous l'effet d'une dépression (vide) interne et/ou d'une traction
axiale.
Dans un mode de réalisation avantageux d'une matrice
conforme à l'invention, la structure tubulaire est insérée entre deux
membranes élastiques, l'une intérieure et l'autre extérieure, l'ensemble
formant un manchon gonflable équipé d'un tube d'amenée de fluide dans le
manchon.
Selon un mode de réalisation, une telle matrice est fixée à la
préforme au moyen d'éléments de liaison facilement sécables, permettant
d'arracher la matrice après l'opération de tubage, en laissant ce dernier à
l'intérieur du tube ou de la canalisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî-
tront de la description et des dessins annexés qui en montrent à titre
d'exemples non limitatifs des modes de réalisation préférentiels.
Sur ces dessins
- les figures 1, 2, 3 sont des schémas représentant une
préforme ou une matrice pourvue d'une structure tubulaire conforme à
l'invention, cette préforme ou matrice étant représentée respectivement à
l'état radialement contracté, dans un état intermédiaire et dans un état
radialement expansé ;
les figures lA, 2A et 3A sont des vues de détail représentant
le tressage de mèches souples constituant la structure, dans un état de
déformation correspondant respectivement aux figures 1, 2 et 3 ;
YO 94125655 PCT/FR94/00484
2~ s2 03 ~
- la figure 4 est une vue en perspective avec arrachement
d'une préforme conforme à l'invention possédant plusieurs structures
emmanchées les unes dans les autres ;
- la figure 5 est une section transversale, à plus grande
5 échelle, de la préforme de la figure 4 ;
- les figures 6A et 6B sont des vues schématiques de la section
de la préforme axialement repliée sur elle-même, dans deux configurations
possibles différentes ;
- les figures 7 et 7' sont des vues similaires de l'une ou l'autre
des préformes des figures 6A ou 6B, respectivement après déploiement et
après expansion radiale ;
- la figure 8 est une vue similaire à celle de la figure 2A
montrant une variante du mode de tressage de la structure ;
- la figure 9 est une vue schématique en coupe longitudinale,
d'une matrice et d'une préforme toutes deux conformes à l'invention, au
cours de la mise en place de la préforme dans un puits, matrice et préforme
étant déployées, mais non expansées radialement ;
- la figure 9A est un détail à plus grande échelle de la zone
de la paroi de la matrice et de la préforme qui est référencée _A à la figure
9
- les figures 10, 10A, IOB, lOC et lOD sont des vues
schématiques destinées à illustrer les différentes étapes successives de la
mise en place d'un tubage dans un puits de forage pétrolier au moyen d'un
tubing de production, à l'aide de l'ensemble matrice - préforme de la figure
9,
- la figure 11 illustre un mode possible d'extraction de la
matrice ;
- les figures 12 et 12A représentent le gonflage progressif
d'une matrice au cours de la dilatation d'une préforme dans un puits.
La préforme ou la matrice désignée 1 sur les figures 1 à 3 a
une forme tubulaire munie d'une structure tressée. Celle-ci est composée
d'un entrelacement de deux séries de mèches plates, ou rubans 10a, lOb qui
s'enroulent en hélice pour constituer l'enveloppe de la structure. Les deux
séries sont de pas inverse, et les mèches sont inclinées d'un angle aigu u
WO 94/25655 PCT/FR94/00484
6
2~ sz o~ ~
par rapport à la génératrice du tube qu'elle forme, qui est cylindrique. Pour
simplifier l'exposé, on a pris comme référence l'axe XX' du tube sur les
figures 1 à 3. Les deux séries de mèches l0a et lOb s'entrelacent à la
manière d'un cannage, symétriquement par rapport à l'axe XX', de part et
d'autre de ce dernier.
Avantageusement, l'angle u est de l'ordre de 20° (figures 1 et
1 A).
Chacune des mèches 10 est formée d'une pluralité de fibres ou
de fils ayant une grande résistance mécanique, et inextensibles, accolés les
uns aux autres. Il s'agit par exemple de fibres de verre ou de carbone ayant
un diamètre de quelques micromètres, ou de fils d'acier.
A titre indicatif, les mèches 10 ont une largeur comprises
entre 1 et 6 mm, et une épaisseur comprise entre 0,1 et 0,5 mm.
De préférence, le matériau constituant les fibres ou fils qui
forment ces mèches ont un faible coëfficient de frottement, favorisant le
glissement mutuel des mèches entrelacées, et par conséquent favorisant la
déformabilité de la structure.
Comme on le voit à la figure 2A, le tressage des deux séries
de mèches l0a d'une part et lOb d'autre part est fait avec un certain jeu,
donnant un assemblage lâche qui ménage des espaces 11 en forme de
losanges à l'intersection des deux séries 10a, lOb.
A la figure 1 on a représenté la préforme ou la matrice dans
la configuration qui lui donne la longueur la plus grande possible L1. Dans
cet état, la structure est autobloquée, les différentes mèches étant en
appui par leurs bords les unes contre les autres. La préforme possède un
diamètre minimal D 1.
I1 est possible de déformer cette structure, par exemple
- comme on le verra plus loin - en lui appliquant une pression interne.
Ce phénomène est illustré à la figure 2. On peut augmenter
l'angle que font les mèches avec la direction axiale XX', cette déformation
faisant apparaître les espaces 11 déjà mentionnés. Aux figures 2 et 2A les
deux séries de mèches l0a et lOb sont dans une position intermédiaire,
l'angle v étant par exemple de l'ordre de 30 à 35°. Cette déformation
~O 94/25655 7 PCT/FR94/00484
z1 sz o3 5
correspond à une compression axiale A de la structure et, corrélativement,
à une expansion radiale R. La structure possède ainsi une longueur L2
inférieure à L 1 et un diamètre D2 supérieur à D 1.
Cette déformation peut continuer jusqu'à l'état illustré aux
figures 3 et 3A dans lequel la structure va à nouveau se bloquer, les mèches
constitutives du tressage venant à nouveau en appui les unes contre les
autres comme cela est représenté à la figure 3A. De préférence, le tressage
est déterminé pour que ce blocage se fasse lorsque l'angle w que forment
les mèches par rapport à la direction axiale comprise entre 50° et
70°. La
structure possède alors une longueur minimale L3 et un diamètre maximal
D3.
Cette déformation est bien entendu réversible, et en tirant
axialement sur les extrémités de la structure représentée à la figure 3, il
est possible de la faire revenir à l'état de la figure 1.
Le tressage représenté aux figures lA à 3A est un tressage
simple, dans lequel une mèche l0a passe alternativement au-dessus et
en-dessous d'une mèche lOb, et réciproquement. I1 va de soi que d'autres
modes de tressage peuvent être envisagés, tel que par exemple celui
représenté à la figure 8. Selon ce dernier, chaque mèche l0a passe
successivement au-dessus et en-dessous de deux mèches lOb, et récipro-
quement.
I1 convient de rappeler que la structure représentée aux
figures 1 à 3 est purement schématique, destinée à expliquer le phénomène
de déformabilité de la préforme ou matrice.
La figure 4 montre une préforme 1 susceptible d'application
industrielle. Celle-ci comprend plusieurs structures tubulaires déformables
telle que celle qui vient d'être décrite, en l'occurence quatre structures 3a,
3b, 3c et 3d coaxiales, et de diamètres de plus en plus petits, emmanchées
les unes dans les autres. Dans la pratique, un nombre supérieur, par
exemple de dix structures emmanchées peut naturellement être prévu. Elles
sont confinées entre deux peaux en matériaux élastiques, par exemple en
matière élastomère l'une 4 extérieure et l'autre 5 intérieure. Le rôle de
cette dernière pourraît être joué par la paroi de la matrice. Elles sont
imprégnées d'un milieu fluide mais durcissable, par exemple d'une résine
WO 94!25655 PCT/FR94/00484
8
21 62~~
thermodurcissable polymérisable à chaud, logée entre les deux peaux 4 et
5.
L'aptitude à la déformation des peaux 4 et 5 est choisie pour
être compatible avec celle des structures tressées 3, la déformation de
l'ensemble se faisant conjointement, et avec les mêmes amplitudes.
En raison de la fluidité du milieu 30 et de la souplesse des
structures 3a à 3d, lesquelles peuvent glisser librement les unes par rapport
aux autres, il est possible de replier la préforme longitudinalement sur
elle-même. Les figures 6A et 6B montrent deux modes possibles (non
limitatifs) de pliage, respectivement en forme de U et en forme d'escargot
(spirale). A la suite d'un tel pliage, on peut donc donner à la préforme une
section transversale présentant un encombrement très faible. Par
dépliement, on peut déployer la préforme, pour lui donner la forme
cylindrique représentée à la figure 7. Ensuite, par exemple en appliquant
une surpression interne, on peut provoquer l'expansion radiale de la
préforme, par déformation de chacune des structures concentriques 3a, 3b,
3c et 3d par application du phénomène décrit précédemment.
La figure 9 représente une préforme similaire à celle qui vient
d'être décrite associée à un outil dilatateur destiné à en assurer la mise en
place dans un puits, outil ci-après appelé matrice.
La préforme l, représentée à l'état déplié, mais non expansé,
comprend - comme déjà dit - un milieu 30 en résine thermodurcissable qui
occupe l'espace annulaire situé entre deux peaux en matériau élastique
l'une extérieure 4 et l'autre intérieure 5 ou 71 (du manchon 7). Dans cet
espace se trouvent également plusieurs structures déformables tubulaires et
concentriques formées par des rubans tressés 3.
La matrice - référencée 6 - comprend un manchon tubulaire 7
obturé à ses extrémités haute et basse par des bouchons obturateurs 60
respectivement 61.
Le bouchon supérieur 60 est traversé par un tube 8 qui
présente des ouvertures 80 débouchant, tout comme son extrémité libre, à
l'intérieur du manchon 7. Des moyens appropriés non représentés,
permettent d'introduire un liquide sous pression par le tube 8 à l'intérieur
du manchon 7, via un conduit souple.
~NO 94/25655 PCT/FR94/00484
9
z~ s2 0~ 5
Ce liquide peut être amené à partir de la surface. Dans une
variante d'exécution, on peut faire usage de liquide (boue, pétrole...)
présent dans le puits, en l'introduisant dans la matrice à l'aide d'une pompe
équipant cette dernière.
La paroi du manchon est constituée de deux menbranes
élastiques, par exemple en matériau élastomère, l'une intérieure 72 et
l'autre extérieure 71. Entre les deux membranes est disposée une structure
tubulaire à mèches tressées telle que décrite précédemment, référencées
70. Dans une variante, plusieurs structures concentriques peuvent être
prévues, emmanchées les unes dans les autres comme c'est le cas pour la
préforme.
La longueur du manchon 7 est supérieure à celle de la
préforme 1. Des bouchons d'extrémité 60, 61 sont fixés, par exemple par
collage, dans les zones d'extrémité de la membrane intérieure 72.
Le manchon 7 est fixé, par sa membrane externe 71, à la
préforme 1, au moyen de manchettes d'extrémité 73, 74. Celles-ci
possèdent des zones de rupture 730, respectivement 740. Les manchettes 73
et 74 forment des joints d'étanchéité entre la préforme et le manchon 7
constitutif de la matrice 6.
L'interface entre la membrane externe 71 du manchon et la
peau intérieure 5 de la préforme est traitée, par exemple par enduction de
silicone, pour qu'il y ait peu d'adhérence entre ces deux éléments.
Dans un mode de réalisation, la peau intérieure peut être
supprimée.
De préférence, comme on le voit sur le détail de la figure 9A,
la face externe de la peau extérieure 4 de la préforme possède des patins
40. I1 s'agit par exemple de renflements annulaires séparés par des cavités
également annulaires 41. La fonction de ces patins est de favoriser
l'étanchéité avec la paroi du puits, et de conserver une précontrainte et
une certaine souplesse après durcissement.
La figure 10 et les suivantes illustrent l'opération de tubage
d'un puits de forage pétrolier à travers un tubing de production au moyen
de la préforme 1 et à l'aide de la matrice qui viennent d'être décrits.
WO 94/25655 ~ ~ ~ ~ PCT/FR94/00484
On a désigné par P la paroi du puits et par la référence 9 le
tubing de production équipant le puits, ce tubing étant retenu et centré par
un obturateur hydraulique - ou "packer" - 90.
A titre indicatif, le diamètre intérieur du tubing 9 est de 60
5 mm tandis que le diamètre moyen du puits est de l'ordre de 180 mm. La
préforme est introduite en étant repliée sur elle-même, par exemple en
escargot (voir figure 6B) d'une telle manière que la plus grande dimension
de sa section transversale soit inférieure au diamètre intérieur du tubing 9.
Cette plus grande dimension est par exemple de l'ordre de 55 mm. La
10 préforme est donc descendue, en même temps que le tube 8, au niveau
souhaité à l'intérieur du puits. Dans un premier temps, on va provoquer le
déploiement de la préforme 1, lui faisant prendre une forme cylindrique.
Son diamètre extérieur est alors de 90 mm. Ceci est obtenu en introduisant
à l'intérieur du manchon 7, via le tube 8, un fluide tel que l'eau sous
pression.
Cette arrivée de fluide est symbolisée par les flèches f à la
figure 10A.
On augmente ensuite la pression du fluide, comme illustré par
les flèches f' à la figure IOB. On réalise ainsi l'expansion radiale, à la
fois
du manchon 7 et de la préforme l, par l'effet de déformation du tressage
qui a été décrit en référence aux figures 1 à 3.
Bien entendu, en même temps que s'opère cette expansion
radiale, on observe une réduction de la longueur de la préforme et de la
matrice. Elle atteint ainsi un diamètre de 180 mm.
La préforme vient donc s'appliquer intimement contre la paroi
P du puits. Le degré d'expansion se fait selon les besoins, c'est-à-dire en
fonction des aspérités de la paroi. I1 s'agit là d'une différence essentielle
par rapport au dispositif de préforme souple connu, dont la dilatation
radiale ne peut se faire que selon un diamètre bien défini. La préforme
s'adapte donc à la configuration de puits qu'elle rencontre. Ceci est encore
favorisé par la présence des patins 40, qui assurent l'ancrage et
l'étanchéité.
On laisse ensuite durcir la paroi de la préforme, en
introduisant et en faisant circuler un fluide chaud (et sous pression) dans le
VO 94/25655 PCT/FR94/00484
11
~1620~ 5
manchon 7. Lorsque la polymérisation est terminée, on aspire le fluide
contenu dans le manchon, ce qui provoque la rétraction radiale de celui-ci,
comme illustré à la figure IOC.
Par traction vers le haut sur le tube 8, il est alors possible
d'arracher l'ensemble de la matrice, par rupture des zones de liaison
sécables 730 et 740.
Le manchon 7 s'allonge en se rétractant radialement, et il est
possible de l'extraire à travers le tube 9.
L'ancienne préforme l, durcie, constitue un élément de tubage
du puits.
Un tel tubage peut être utilisé avec ou sans ciment, en
fonction des conditions de sol rencontrées.
I1 est bien entendu nécessaire, au moment de positionner la
préforme, dans le puits, de tenir compte de sa réduction de longueur axiale,
qui interviendra en cours d'opération.
Le mode d'extraction illustré à la figure 11 ne nécessite pas
l'application d'un vide à l'intérieur de la matrice.
En effet, grâce à la structure tressée, sous l'effet de la
traction F' exercée sur la matrice, celle-ci se rétreint progressivement en
direction radiale, de haut en bas, se décollant du tubage 1 (déjà durci).
La référence 7a désigne la portion de la matrice déjà
rétreinte, et détachée du tubage, dont les mèches de structure forment
l'angle u.
La référence 7b désigne la portion dilatée, dont les mèches
forment l'angle w.
Aux figures 12 et 12A, on a représenté une dilatation de la
matrice 7 et de la préforme 1 qui se fait progressivement, du bas vers le
haut, un liquide de gonflage étant introduit, via le conduit 8, à la partie
inférieure de la matrice. La progression du gonflage peut être obtenue par
exemple en enfermant la préforme et la matrice (à l'état replié) dans une
enveloppe apte à se déchirer longitudinalement et de bas en haut.
11 va de soi que la structure déformable tressée conforme à
l'invention peut être mise en oeuvre avec des préformes dont la mise en
place ne ferait pas appel à des matrices de gonflage utilisant une telle
structure, et vice-versa.
2162035-
~z
12~
- Dans un mode de réalisation possible de la structure, certaines fibres de
certaines au moins des mèches (et, avantageusement de l'ensemble des mèches)
sont
remplacées par des fils conducteurs d'électricité, permettant le chauffage de
la préforme
ou de la matrice, en vue de la polymérisation de la préforme, lorsqu'ils sont
branchés à
une source de courant.
Ceci est surtout intéressant pour une matrice (réutilisable), les connections
électriques aux deux extrémités de la structure ne présentant pas de
difficultés
particulières.
FEUILLE PviODIFIEE
