Brevet FR2375431A1 — publié le 19780721

L'invention se rapporte à un dispositif de mesure de la traction exercée à la partie inférieure dlun riser en vue de ramener éventuellement cette traction dans des limites assurant le maintien de la stabilité élastique des risers de forage. L'accroissement de longueur des risers ainsi que leurs conditions d'utilisation, notamment en raison du pilonnement du support Bottant pouvant les soutenir, entrassent une variation notable de la traction appliquée au riser. La force de traction peut alors atteindre des valeurs critiques dangereuses. Parmi les causes de variations de la traction, on peut encore citer l'implosion de flotteurs ou l'absorption d'eau progressive par des flotteurs diminuant la traction exercée sur le riser jusqu'à des valeurs entrainant un risque de flambage. On a déjà tenté de déduire les efforts de traction au pied du riser à l'aide d'instruments mesurant l'allongement des fibres du métal. Cependant, le calcul des contraintes supposant connus le module d'Young et le coefficient de Poisson de l'acier particulier du riser, on ne peut obtenir une détermination précise de la traction. Cette détermination des contraintes nécessite en outre, non seulement la connaissance de la pression de la boue à l'intérieur du riser facile à mesurer, mais aussi la température de la boue plus difficilement accessible.Etant donné les différences importantes pouvant exister entre la température du milieu entourant le riser, le fond de la mer pouvant etre à une température de l'ordre de 40 C et la température du milieu à l'intérieur du riser qui peut étre de l'ordre de 900 C en cas de forage profond, il est difficile de réaliser une isolation thermique en vue d'obtenir des mesures précises. Si l'on tient compte encore des vibrations auxquelles est soumis le riser dans la région où l'on doit effectuer les mesures nécessaires au calcul des contraintes, on constate qu'il n'existe actuellement aucun appareil capable de déterminer avec exactitude et-sans risque de détérioration la traction totale réelle s'exerçant au pied du riser. Dans ces conditions et mFme en supposant que l'appareil utilisé fonctionne correctement pour un certain nombre de points de mesure, on ne peut etre certain, puisque l'on ne mesure pas directement la traction totale réelle, que le riser n'est pas soumis en d'autres points, situés à quelques dizaines de mètres au-dessus de la région de mesure, à des-contraintes flexion entrainant le flambage du riser. L'objet de l'invention est un procédé de mesure directe de la tension exercée à un niveau donné d'un riser, caractérisé en ce que l'on relie télescopiquement deux tronçons du riser au niveau considéré, en ce que l'on relie hydrauliquement les deux tronçons et en ce que l'on déduit la traction par la mesure de la pression du circuit hydraulique de liaison des tronçons. Ainsi, contrairement aux méthodes connues consistant à contrer la fatigue du métal au niveau choisi et à calculer la traction à partir de paramètres incertains et changeants, on mesure directement la pression d'un circuit hydraulique assurant la liaison mécanique des deux tronçons du riser. Un autre objet de l'invention est un procédé tel que défini ci-dessus selon lequel on affiche la valeur de la traction que l'on calcule en fonction de la pression du circuit hydraulique, de la pression hydrostatique et de la pression de la boue soutenue dans le riser au niveau de la mesure et en ce que l'on asservit le tensionneur du riser en fonction de ladite valeur de la traction et des valeurs correspondantes critiques de flambage ou d'arrachement du riser. Ainsi, quelles que soient les conditions de travail du riser, qu'il s'agisse de la descente de blocs pesants comme les blocs d'obturateurs, ou au contraire qu'il s'agisse d'un riser n'assurant que le guidage des trains de tiges au cours du forage, on peut à tout instant corriger la traction exercée à la base du riser par simple accroissement ou diminution de la traction exercée en tette du riser par le tensionneur qui la supporte. Un autre objet de l'invention est un dispositif de mise en oeuvre dudit procédé, caractérisé en ce que le riser comporte au niveau oW l'on effectue la mesure de la traction un tronçon supérieur et un tronçon inférieur raccordés télescopiquement, chaque tronçon comportant un support sollicité par au moins un vérin, un capteur de pression mesurant la pression du fluide hydraulique contenu dans les chambres des vérins. On réalise de ce fait un dispositif robuste, précis et fiable, les capteurs de pression pouvant répondre à toutes gammes d'utilisation. D'autres objets et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple, un mode préféré de réalisatIon du dispositif de mesure de l'invention. Sur le dessin la figure 1 est le schéma de principe de l'invention, la figure 2 une vue en coupe axiale de la partie du riser équipé du dispositif de mesure selon la ligne II-II de la figure 3, la figure 3 la vue en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 2, la figure 4 la vue du dessus du dispositif, et la figure 5 le schéma de principe de l'asservissement du tensionneur du riser au dispositif de mesure. Le riser est divisé au niveau de la mesure en un tronçon supérieur 1 et un tronçon inférieur 2 se raccordant télescopiquement, 1 'étanchéité étant assurée, d'une part, au moyen des joints 3, d'autre part, au moyen de la pression d'huile exercée sur ces joints et provenant du canal 4 relié au réservoir 5. Ce réservoir que l'on remplit à l'aide de la vanne 6 contient une vessie de caoutchouc 7 dont l'orifice 8 se raccorde, sur toute sa périphérie, à la paroi de l'ouverture du réservoir 5, de telle sorte que 1 'huile contenue dans le fond 9 du réservoir se trouve constamment à la pression hydrostatique.Des canalisations 10 et 11, en dérivation sur le canal 4, assurent respectivement l'alimentation des chambres supérieures 12 des vérins 13 solidaires d'un support 14 rigidement fixé au tronçon 1 et l'alimentation des chambres inférieures 16 des vérins 15 solidaires du support 17 rigidement fixé au tronçon 2 du riser. Les chambres 18 des vérins 13 sont remplies d'huile et raccordées à un circuit 19 desservant aussi les chambres 20 des vérins 15. Le circuit 19 sert à l'introduction de l'huile dans les chambres 18 et 20 par la vanne de remplissage 21 ou à la purge des vérins par la vanne d'évacuation 22, ainsi qu'à la prise de pression par le capteur de pression 23. Une vanne 24 a été prévue sur le circuit 10 pour la purge des chambres 12 et 16. Les tiges 25 des pistons 26 des vérins 13, plus visibles figure 2, et les tiges 27 des pistons 28 des vérins 15 transmettent leurs efforts par l'intermédiaire de leurs plateaux supports respectifs 29 et 30 à des colonnes 31. Dans l'exemple représentét la rigidité des supports 14 et 17 supportant les bases 32, 33 des vérins 13 et 15 est assurée en les soudant respectivement sur les épaulements 34 et 35 des tronçons 1 et 2. La traction exercée sur les tronçons 1 et 2 du riser est reprise par les colonnes 31 solidarisant les plateaux supports 29 et 30. Ces plateaux comportent des équerres de renforcement 36 et 37 que 1'on assemble au moyen des boulons 38 de façon à ce que la liaison mécanique ainsi réalisée résiste aux mouvements de torsion du riser. On peut donc conserver l'orientation du riser, condition nécessaire aux opérations conventionnelles ainsi qu' au guidage des lignes usuelles, comme par exemple celles représentées en 39 ou 40 pour tuer le puits ou commander les obturateurs. Il va de soi que le mode de réalisation qui vient d'entre décrit se prote à de multiples variantes. C'est ainsi que la liaison télescopique des tronçons pourrait steffectuer par des cannelures longitudinales au-dessus du joint coulissant. De mime, au lieu de monter les vérins comme sur le dessin, on pourrait faire reposer la base des vérins au-dessus du support 17 solidaire du tronçon 2 et fixer les extrémités des tiges de ces vénnsau-dessous du support 14 solidaire du tronçon supérieur 1. Dans ces conditions, l'huile à la pression hydrostatique serait distribuée dans les chambres des vérins opposées aux chambres traversées par les tiges et ces dernières chambres contiendraient l'huile en communication avec le capteur de pression 23. Cependant, quel que soit le mode de réalisation utilisé, on voit qu'il suffit de connaître en surface la pression hydrostatique, la pression de l'huile se trouvant dans les chambres 18 et 20 dans le cas du mode de réalisation représenté, ou se trouvant dans les chambres opposées Si l'on utilise la variante qui vient d'entre décrite, la pression de la boue à l'intérieur du riser au niveau des joints 53 et l'inclinaison du riser pour déterminer sans calcul des contraintes la valeur de la traction.Connaissant la limite inférieure de cette valeur à ne pas franchir afin d'éviter le flambage du riser et la limite supérieure à ne pas dépasser afin de ne pas entratner des risques d'arrachement, il devient possible d'afficher à tout moment sur un cadran la valeur de la traction déterminée et les valeurs limites inférieure et supérieure entre lesquelles cette valeur doit être maintenue. I1 suffit donc au personnel chargé de la surveillance du riser d'actionner selon la valeur affichée en 51, figure 5, le dispositif 52 de commande du dispositif tensionneur 53.Ce dispositif comprend essentiellement un vérin 54 dont la chambre supérieure est reliée par la canalisation 55 à un réservoir d'huile sous pression 56 et dont la chambre inférieure est reliée par la canalisation 57 au dispositif de coenaande 52. Dans la position représentée, le dispositif 52 isole la canalisation 57 du canal 58 relié à la réserve de pression d'air 59. Lorsque l'aiguille 60 de l'indicateur 51 dépasse la limite supérieure affichée, c1 est-à-dire lorsque la traction excède la valeur maxinum admise, le bloc 52 est commandé de façon que le canal 61 mette en communication la canalisation 57 et la purge 62 abaissant ainsi la pression exercée sur le piston 63 du vérin 54. La poulie de renvoie 64 solidaire de la tige 65 du vérin se déplace vers le bas, diminuant ainsi l'effort exercé par le cible 66 à la tette du riser 1 par l'intermédiaire du collier 67. L'autre extrémité du cible 66 est fixée au support de surface représenté schématiquement en 68. Un tube télescopique 69 fixé au support 68 termine la partie supérieure du riser 1. Lorsque l'aiguille 60 indique au contraire une traction insuffisante, le dispositif 52 est commandé pour mettre en communication le canal 70 avec les canalisations 57 et 58. Dans ces conditions, la pression de la chambre inférieure du vérin 54 crott et la poulie 64 accroît la tension du cible 66. Selon une variante de l'invention, la manoeuvre du dispositif 52 est assurée automatiquement par un comparateur 71 comportant au moins deux sorties ou deux niveaux de sortie, l'une schématisée en 72 pour diminuer la tension par la commande de la mise en comgunication des canalisations 57t 61 et 62, l'autre schématisée en 73 pour accrottre la tension par la commande de la mise en communication des canalisations 57, 70 et 58. Le dispositif comparateur 71 reçoit des valeurs de consignes en 74 relatives aux conditions limites et par 75 la valeur de la traction calculée par le dispositif de calcul 76.Ce dispositif reçoit, par les lignes 77 à 79, les valeurs des pressions transmises par le capteur de pression 23 des chambres 18 eut 20 des vérins 13 et 15, par le capteur de la pression de la boue 82 et par le capteur de la pression hydrostatique 83. Il reçoit, d'autre part, par les lignes 80 et 81 les valeurs des composants de l'inclinaison du riser donnée en 84et 85. Les dispositifs 71 et 76 ne font pas partie, pris isolément, de l'invention, Ces dispositifs peuvent par conséquent être quelconques ainsi que les capteurs eux mimes 23, 82, 83 et le dispositif de mesure de l'inclinaison 84, 85. D'ailleurs, les formules de calcul de la traction peuvent différer selon que l'on utilise un mode de réalisation ou un autre. C'est ainsi que si l1on utilise 8 vérins, comme dans l'exemple illustré sur le dessin, et que l'on désigne par p la pression mesurée par le capteur 23, par pe la pression hydrostatique mesurée par le capteur 83, par Pb la pression de la boue mesurée par le capteur 82, par So la section interne du tronçon 1, par S1 la section interne de la partie télescopique du tronçon 2, par S2 la section de la chambre des vérins 18 et S3 la section des tiges 25, la valeur de la traction est égale à 8 [p S2 - pe (S2 - s3 > ] - Pb (S1 - s0-y. Cette formule ainsi que toutes celles dérivant de toutes les variantes de l'invention ont l'avantage de ne contenir que des paramètres aisément mesurables et non des coefficients dont la détermination est souvent imprécise. On comprendra que les moyens décrits tels que 71 et 76 peuvent & re quelconques ainsi que les moyens d'asservissement et que d'une façon générale de nombreuses modifications, adjonctions ou suppressions pourraient être apportées au dispositif décrit sans s'écarter de l'esprit général de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de mesure directe de la tension exercée sur une portion d'un riser située à un niveau donné, caractérisé en ce que l'on divise le riser au niveau considéré en deux tronçons que l'on relie télescopiquement et hydrauliquement, et en ce que l'on déduit la traction par la mesure de la pression du circuit hydraulique servant à relier les deux tronçons. 20) Procédé tel que revendiqué en 1 selon lequel on affiche la valeur de la traction que l'on calcule en fonction de la pression du circuit hydraulique, de la pression hydrostatique et de la pression de la boue contenue dans le riser et en ce que lton actionne le tensionneur du riser en fonction de ladite valeur de la traction et des valeurs correspondantes critiques de flambage ou d'arrachement du riser 30) Procédé tel que revendiqué en 2 selon lequel on transmet les valeurs des pressions du circuit hydraulique, de la pression hydrostatique et de la pression de la boue contenue dans le riser, directement mesurées par des capteurs de pression, à un dispositif de calcul et selon lequel on compare la valeur ainsi calculée aux valeurs limites à l'aide dtun comparateur que l'on asservit au tensionneur pour diminuer la tension exercée par ce dernier en cas de dépassement de la valeur critique d'arrachement et pour accroître la tension du riser en cas de diminution de la tension en dessous de la valeur critique du flambage. 40) Dispositif de mise en oeuvre du procédé revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le riser comporte au niveau oW l'on effectue la mesure de la traction un tronçon supérieur et un tronçon inférieur raccordés télescopiquement, un support externe sur chaque tronçon et au moins une liaison hydraulique comprenant au moins un vérin entre lesdits supports. 50) Dispositif tel que revendiqué en 4 dont l'une des chambres du vérin contient de l'huile à la pression hydrostatique du lieu de mesure, l'autre chambre contenant de l'huile communiquant avec un capteur de la pression fonction de la traction du riser au niveau considéré. 6 ) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 et 5 dont l'huile de la chambre à la pression hydrostatique communique avec un canal du dispositif réservoir d'huile débouchant entre deux joints assurant l'étanchéité de la partie télescopique du riser au niveau de mesure. 70) Dispositif tel que revendiqué en 6 dont les tronçons comportent des cannelures longitudinales au-dessus desdits joints. 8 ) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 7 dont le circuit de liaison hydraulique des supports comprend au moins un vérin dont le corps est relié à l'un des supports et la tige à l'antre support. 90) Dispositif tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 7 dont le circuit de liaison hydraulique des supports comprend au moins deux vérins, les corps des vérins étant rendus solidaires desdits supports et les tiges étant raccordées entre elles par des entretoises. 100) Dispositif tel que revendiqué en 9 comportant en outre des plateaux solidaires desdites tiges, ces plateaux étant d'une part reliés rigidement en anneau et maintenus écartés à la fois par les tiges des vérins et des entretoises. 110) Dispositif -tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 9 dont la tête du riser est supportée par un tensionneur commandé par un dispositif de commande à au moins deux positions, l'une reliant le vérin du tensionneur à un circuit de diminution de pression, l'autre le reliant à un circuit d'aLimentation accroissant la pression du vérin, le dispositif étant placé sous le contr8le d'un organe indicateur du dépassement des valeurs limites inférieure et supérieure admises de la traction du riser. 120) Dispositif tel que revendiqué en 11 dont l'organe indicateur de contrtle reçoit la valeur de la traction mesurée d'un calculateur relié aux circuits de transmission des valeurs de l'inclinaison du riser, du capteur de pression de la boue contenue dans le riser, du capteur de pression hydrostatique de l'huile contenue dans l'une des chambres d'un vérin de la liaison des tronçons et du capteur de pression de l'huile contenue dans l'autre chambre.