Brevet FR2107804A1 — publié le 19720512

-1- 2107804 La présente invention a pour objet des tubes en acier à haute limite élastique résistant à la fragilisation par l'hydrogène ainsi que des procédés de fabrication de ces tubes. On sait que l'extraction de gisements de pétrole ou de 5 gaz naturel acide soulève des difficultés importantes du fait que les acides et en particulier l'hydrogène sulfuré ont une action néfaste sur le comportement mécanique des tubes d'acier qui sont utilisés pour l'exploitation des gisements. Ces acides provoquent une fragilisation des aciers convenir tionnels qui voient progressivement diminuer leurs caractéristiques mécaniques au fur et à mesure qu'ils sont soumis à l'action du milieu acide. Pour résoudre ce problême/ il a déjà été proposé d'utiliser des aciers résistant à la fragilisation. De tels tubes sont notam-15 ment utilisés pour l'extraction du gaz de Lacq dans le Sud de la France où ils donnent entièrement satisfaction. Toutefois, ces aciers satisfont seulement à la norme grade C 75 des standards A.P.I., ce qui-correspond à une limite élastique minimale de 52,8 Kg/mm2, ou à une variante dite N 80 modifié. 20 Or, les progrès techniques de l'industrie pétrolière nécessitent maintenant des tubes ayant des caractéristiques mécaniques supérieures. En effet, les forages réalisés actuellement qui sont de plus en plus profonds, entraînent une augmentation des pressions internes et des poids suspendus sur les tubes de forage. 25 II en résulte que l'on a besoin de tubes en acier qui présentent de meilleures caractéristiques mécaniques ainsi qu'une bonne résistance à la fragilisation par les acides et par l'hydrogène . En particulier, les standards A.P.I. s'efforcent maintenant 30 de faire adopter une nouvelle norme grade C 95 qui correspond à une limite élastique au moins égale à 66,8 Kg/mm2. La présente invention est relative à un nouveau type de tube pour forage pétrolier qui satisfait au moins au standard A.P.I. norme grade C 95 en étant susceptible de convenir aussi 35 pour les grades C 75 et N 80 modifié, et qui présente des qualités antifragilisantes suffisantes pour pouvoir exploiter les gisements de nature acide. Pour pouvoir résoudre le problème ainsi posé, il a été nécessaire à la Société demanderesse de trouver un acier qui 40 remplisse simultanément des conditions à priori contradictoires. 70 33900 -2- 2107804 Il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un acier qui puisse être transformable en tube de qualité par des procédés utilisés conventionnellement. En particulier, l'acier choisi doit pouvoir être laminé (ou filé à la presse) en barres pleines ou 5 creuses, puis en tube dans le sens longitudinal ou dans le sens oblique selon tous les procédés usuels, sans qu'il donne lieu à la formation de pailles ou de criques et sans qu'il provoque une usure anormale de l'outillage utilisé. De plus, après son premier refroidissement, l'acier en question ne doit pas présenter de 10 fragilité mécanique préjudiciable. Par ailleurs, 1'acier utilisé doit être apte à subir les processus industriels de traitements thermiques. Notamment il doit pouvoir subir une trempe à l'eau après avoir été soumis à une chauffe d'austénisation qui soit réalisable dans les installations 15 conventionnelles. De plus, l'acier doit être suffisamment trempant pour qu'avec les épaisseurs et les diamètres correspondant aux tubes courants, le volume total de l'acier du tube soit correctement trempé. Cette bonne trempabilité doit en particulier pouvoir être 20 effectuée à partir d'une température compatible avec l'utilisation de fours industriels et elle ne doit pas donner lieu à la formation de tapures de trempe. Le traitement thermique auquel l'acier doit être soumis ne doit pas nécessiter des temps importants et la température de revenu doit être située dans une zone suffisam-25 ment large pour pouvoir être contrôlée et pour accepter des tolérances compatibles avec la précision des grands fours industriels actuels. Enfin, l'acier choisi doit présenter des caractéristiques suffisantes de résistance à la fragilisation par les acides et 30 par l'hydrogène. La Société demanderesse a réussi à déterminer des spécifications de tubes qui permettent de résoudre l'ensemble de ces problèmes. La présente invention a pour objet le produit industriel 35 nouveau que constitue un tube d'acier de caractéristiques mécaniques élevées et qui possède une résistance importante à la fragilisation par les acides et l'hydrogène, ce tube étant essentiellement caractérisé par le fait qu'il est fabriqué à l'aide d'un acier contenant entre 0,20 et 0,45% de carbone, entre 0,6 et 40 1,4% de manganèse et entre 0,8 et 2,5% de silicium et de préférence 70 33900 -3- 2107804 entre 1,4 et 1,6%. Les aciers utilisés pour réaliser les tubes selon l'invention présentent également de préférence les caractéristiques de composition suivantes: ils ont une teneur en chrome inférieure 5 à 1%, une teneur en molybdène inférieure à 0,5%, une teneur en vanadium inférieure à 0,5%, une faible teneur en impuretés métalliques, en particulier -une teneur en nickel inférieure à 0,5% et une teneur en aluminium inférieure à 0,03%, une teneur en soufre inférieure à 0,05% et une teneur en phosphore inférieure 10 à 0,07%. Les tubes d'acier définis ci-dessus présentent une limite élastique qui est au moins égale à 63 Kg/ntm2, ce qui correspond au grade C 90. Cette valeur de la limite élastique est obtenue pour 15 les teneurs en carbone, manganèse et silicium, qui sont situées au voisinage de leurs limites inférieures, tandis que pour des aciers dont ces mêmes teneurs sont situées au voisinage de leurs limites supérieures on obtient une limite élastique supérieure à 67 Kg/mm2, ce qui correspond au grade C 95. 20 Les aciers utilisés selon l'invention pour réaliser les tubes présentent un allongement à la rupture minimum de 13% selon le standard dréprouvette ISO, c'est-à-dire sur une longueur initia- 0 5 le de mesure L = 5,65 S ' où S est la section transversale en units homogènes. 25 En plus de ces caractéristiques mécaniques intéressantes, les tubes selon l'invention présentent la particularité d'offrir une excellente résistance à la fragilisation aux acides par les gaz naturels extraits de gisements ou encore par les gaz élaborés de nature acide pouvant ou non contenir de la vapeur d'eau ou 30 un liquide. Ils présentent également une bonne résistance à la corrosion par les chlorures, les hydrates ou les autres substances corrosives contenues dans les gisements de gaz naturel ou qui sont entraînées par ces gaz. Les aciers utilisés pour ces tubes présentent aussi une 35 résistance importante à la fragilisation par l'hydrogène ainsi qu'une bonne résistance aux chlorures, hydrates et autres substances corrosives contenues dans les eaux que l'on rencontre à tous les niveaux du terrain lors du forage et durant l'exploitation du gisement. 40 Ces résistances à la fragilisation et à la corrosion 70 33900 -4- 2107804 sont obtenues dans les conditions d'exploitation par extraction de milieux gazeux ou de milieux liquides à des pressions et des températures qui peuvent être élevées, par exemple à des pressions supérieures à 1000 Kg/cm2 et à des températures supérieures à 5 160° C. Les tubes selon l'invention possèdent également une résistance à la fatigue élevée vis-à-vis des contraintes alternées répétées ou ondulées qui ont des effets particulièrement sévères dans le cas où elles sont exercées en milieu aqueux et en particu-10 lier avec un pH inférieur à 7, de même que lorsque ces contraintes s'ajoutent à des contraintes statiques plus ou moins élevées. Les essais qui ont été effectués par la Société demanderesse montrent également que les aciers définis ci-dessus permettent de réaliser des tubes dans des conditions normales de fabrication 15 industrielle, en particulier des tubes laminés sans soudure et même des tubes soudés. Dans le cas de tubes soudés, le traitement thermique de la masse totale du tube n'est pas notablement différent de celui des tubes sans soudure, mais il peut être nécessaire de 20 procéder, au préalable, à un traitement thermique localisé sur la zone soudée, de manière à améliorer la qualité et la sécurité de la soudure avant le traitement final de la masse complète du tube. Ce traitement localisé sur la zone soudée peut avantageusement être réalisé sur l'appareillage de fabrication des tubes 25 soudés. Enfin, il s'est révélé que les tubes selon l'invention, vraisemblablement en raison de leur teneur en silicium, présentent une résistance élevée à l'abrasion ou à l'érosion mécanique qui peut se produire lorsque les fluides véhiculés à l'intérieur 3 0 du tube contiennent des particules solides qui ont un effet d'abrasion. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif, plusieurs modes de réalisation pris comme 35 exemples: EXEMPLE 1 On utilise un acier ayant la composition suivante: - Carbone 0,33% - Manganèse 0,66% 4° - Silicium 1,24% 70 33900 "5" 2107804 - Chrome 0,56% - Molybdène 0,21% - Soufre 0,026% - Phosphore 0,012% 5 Le processus de fabrication du tube est le suivant: L'acier est élaboré en Aciérie Martin. Après coulée, on procède au chûtage, aux contrôles et aux réparations habituelles des lingots. On lamine pour obtenir des barres rondes et on réalise 10 le chûtage des extrémités. On inspecte la surface et on élimine les défauts superficiels, notamment par enlèvement à l'outil sur la totalité de la surface du rond. Les barres sont ensuite coupées en longueurs unitaires 15 correspondant à la fabrication du tube. Les billettes obtenues sont chauffées uniformément à la température de 1250°C. Chaque billette ainsi chauffée est introduite dans un laminoir perceur oblique qui fournit une ébauche creuse. On communique ensuite un allongement et un amincissement 20 de l'ébauche creuse sur un laminoir longitudinal; après quoi on réalise une régularisation de l'épaisseur sur des "lisseurs" transversaux obliques. Enfin, on réalise le calibrage à chaud du diamètre extérieur final, et on laisse refroidir le tube lentement à l'air. 25 Le tube ainsi obtenu est soumis à un dressage rotatif, puis à une chauffe d'austénisation complète. On réalise ensuite sur le tube rectiligne une trempe à l'eau à réglage contrôlé, suivie d'un revenu d'adoucissement et de structure métallurgique contrôlée. 3 0 un calibrage diamétral peut aussi être assuré à chaud à la sortie du tube du four de revenu. On procède ensuite à un dernier dressage rotatif très léger ne communiquant pratiquement pas d'écrouissage. On effectue ensuite les vérifications des caractéristiques 35 mécaniques par les procédés habituels, et par un contrôle non destructif, on vérifie l'absence de défauts du métal. On usine les extrémités et l'on soumet le tube aux épreuves hydrostatiques. Le tube ainsi obtenu possède les caractéristiques du 40 grade C 95. 70 33900 -6- 2107804 En particulier, sa limite élastique est de 72 Kg/mm2, sa charge de rupture est de 86 Kg/mm2, et son allongement à la rupture est de 22%. EXEMPLE 2 5 On utilise un acier ayant la composition suivante : - Carbone 0,35% - Manganèse 0,82% - Silicium 1,92% - Chrome 0,57% 10 - Molybdène 0,33% - Soufre 0,009% - Phosphore 0,010% L'acier est élaboré dans un four Martin, et l'on réalise des billettes pleines par coulées de lingots ou par un procédé 15 de coulée continue et laminage en rond. On chûte les extrémités et on coupe en billettes de longueurs correspondant à la fabrication d'un tube, après avoir contrôlé l'état de surface. On chauffe jusqu'à une température d'environ 1250° C. 20 On réalise à la presse le percement d'un trou axial. On procède ensuite à un laminage élongateur de la billette qui a été préalablement enfilée sur un long mandrin en acier lisse, selon la technique dite de "laminage à pas de pèlerin". On procède à la coupe des extrémités et l'on réalise 25 le glaçage et le calibrage au diamètre final, puis on laisse refroidir lentement. On réalise la suite des opérations comme indiqué à l'exemple 1. Les caractéristiques finales correspondent au grade C 95 30 et l'on a relevé les caractéristiques mécaniques suivantes: Limite élastique 69 Kg/mm2 Charge de rupture 88 Kg/mm2 Allongement à la rupture 24% EXEMPLE 3 35 on utilise un acier qui a la composition suivante: - Carbone 0,25% - Manganèse 0,77% - Silicium 1,42% - Chrome 0,57% 40 - Molybdène 0,28% 70 33900 -7- 2107804 - Soufre 0,017% - Phosphore 0,015% En procédant comme indiqué à l'exemple 1, on obtient un tube dont les caractéristiques mécaniques sont les suivantes: 5 Limite élastique 63,5Kg/mm2 Charge de rupture 82 Kg/mm2 Allongement à la rupture 24% Dans une variante, on peut réaliser le tube, non pas par laminage, mais par filage à la presse, en utilisant le verre comme 10 lubrifiant. EXEMPLE 4 On utilise un acier ayant les compositions suivantes: - Carbone 0,28% - Manganèse 0,81% 15 - Silicium 1,90% - Chrome 0,60% - Vanadium 0,076% - Soufre 0,015% - Phosphore 0,012% 20 En opérant comme indiqué à l'exemple 1, on obtient un tube dont les caractéristiques mécaniques sont les suivantes: Limite élastique 62 Kg/mm2 Charge de rupture 81 Kg/mm2 Allongement à la rupture 25% 25 Dans une variante, on peut réaliser un tube à l'aide d'une tôle d'acier de même composition, soudée longitudinalement selon une génératrice du tube. EXEMPLE 5 On utilise un acier ayant la composition suivante: 30 - Carbone 0,26% - Manganèse 0,72% - Silicium 1,95% - Soufre 0,008% - Phosphore 0,010% 35 En opérant comme indiqué à l'exemple 2, on obtient un tube présentant les caractéristiques mécaniques suivantes: Limite élastique 59 Kg/mm2 Charge de rupture 77 Kg/mm2 Allongement à la rupture 25% 40 Dans une variante, on peut réaliser le tube à l'aide 70 33900 "8" 2107804 d'un feuillard en acier tel que défini ci-dessus et en procédant à la soudure hélicoïdale dudit feuillard. 70 33900 -9- 2107804 REVENDICATIONS 1. Tube d'acier, en particulier pour l'exploitation de gisements de pétrole ou de gaz naturel, présentant des caractéristiques mécaniques élevées et une résistance importante à la fragi- 5 lisation par les acides ou l'hydrogène, caractérisé par le fait qu'il est fabriqué en un acier contenant de 0,20 à 0,45% de carbone, de 0,6 à 1,4% de manganèse, et de 0,8 à 2,5% de silicium. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est fabriqué en un acier ayant une teneur en silicium comprise 10 entre 1,4 et 1,6%. 3. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il a été fabriqué en acier ayant une teneur en chrome inférieure à 1%. 4. Tube selon l'une quelconque des revendications précéden- 15 tes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant line teneur en molybdène inférieure à 0,5%. 5. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant une teneur en vanadium inférieure à 0,5%. 20 6. Tube selon l'une quelconque des revendications précéden tes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant une teneur en nickel inférieure à 0,5%. 7. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant 25 une teneur en aluminium inférieure à 0,03%. 8. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant une teneur en soufre inférieure à 0,05%. 9. Tube selon l'une quelconque des revendications précëden- 30 tes, caractérisé par le fait qu'il est réalisé en un acier ayant une teneur en phosphore inférieure à 0,07%. 10. Acier utilisable en particulier pour réaliser des tubes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il contient de 0,20 à 0,45% de carbone, de 0,6 à 35 i,4% de manganèse, et de 0,8 à 2,5%, et de préférence de 1,4 à 1,6%, de silicium. 11. Acier selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'il a une faible teneur en chrome (de préférence inférieure à 1%), une faible teneur en molybdène (de préférence infë- 40 rieure à 0,5%), une faible teneur en vanadium (de préférence 70 33900 -10- 2107804 inférieure à 0,5%), une faible teneur en nickel (de préférence inférieure à 0,5%), une faible teneur en aluminium (de préférence inférieure à 0,03%), une faible teneur en soufre (de préférence inférieure à 0,05%) et une faible teneur en phosphore (de préfëren-5 ce inférieure S 0,07%).