Brevet FR2509365A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un produit nouveau constitué par une nouvelle espèce de masses-tiges utilisables pour le forage des puits de pétrole ou de gaz naturel. Le forage des puits de pétrole ou de gaz naturel est générale- ment effectué à l'aide d'un dispositif constitué d'éléments tubulaires en acier, appelés "tiges", disposés les uns à la suite des autres Leur ensem- ble forme un "train de tiges", au bout duquel se trouve le trépan, et est éventuellement animé d'un mouvement de rotation. Les éléments situés à l'avant du train sont plus massifs et ser- vent, en particulier, à assurer un effort permanent sur le trépan On les appelle "masses-tiges" Leur diamètre extérieur peut atteindre 250 milli- mètres environ et leur longueur 10 mètres environ Ces masses-tiges possè- dent un alésage dont le diamètre peut, par exemple, être de l'ordre de 60 mm et elles sont assemblées entre elles par vissage. Une boue est injectée à l'intérieur du train de tiges pour assurer une lubrification au niveau-du trépan et entraîner les débris formés La boue ainsi chargée de débris remonte à la surface par l'espace qui existe entre la paroi extérieure du train et la paroi du forage. Les masses-tiges sont normalement réalisées en acier de construc- tion faiblement allié, du type 42 CD 4 par exemple, c'est-à-dire à 0,42 % de carbone et 1 % de chrome, avec un peu de molybdène Toutefois, dans le cas des forages déviés, les masses-tiges de tête doivent être réalisées en acier amagnétique En effet, dans ce cas, l'orientation du train est pilo- tée à partir de compas magnétiques (boussoles), dont les indications ne doi- vent absolument pas être perturbées par la présence de matériaux ferro-ma- gnétiques. Les caractéristiques mécaniques visées sont, par exemple, les sui- vantes: Rm > /mm 2 /m 2 Rm 88 da N/mm = 90 Kg/m Ro,002 ai 73,5 da N/nm 2 = 75 Kg/mm La perméabilité magnétique doit être inférieure à 1,005. Actuellement, les masses-tiges amagnétiques sont obtenues, d'une façon très générale, par écrouissage (à chaud ou à froid) d'aciers inoxyda- bles de diverses compositions, dont l'équilibrage des éléments alphagènes et gammagènes et la stabilité structurale sont tels qu'il n'y a pas présence de ferrite ni possibilité de formation de martensite On peut citer, à titre d'exemple, les deux compositions suivan- tes d'aciers utilisés pour des masses-tiges de type connu: Composition 1: C 0,07 % Mn % = 18 Ni % -v 2 Cr % '12,5 Mo % 0,5 N % 2 0,25 Composition 2: C % 0,025 Ni % Z 14 Cr % ^'17,5 Mo %-' 2,5 N % ' 0,15 Toutefois, les nuances de ces types connus présentent ltinconvé- nient d'être sensibles à la corrosion sous tension dans les conditions dtuti- lisation des masses-tiges amagnétiques. En effet, ces dernières sont en contact avec les boues que l'on injecte dans le train de forage et qui contiennent de grandes quantités de chlorures (plusieurs centaines de gramme par litre) Ces chlorures (C 12 Mg, C 12 Ca, C Gl Na, 1 Cl K) sont ajoutés intentionnellement pour obtenir un milieu "sensiblement en équilibre" avec les couches salines que l'on rencnntre très fréquemment en cours de forage On évite ainsi les risques d'effondrement par dissolution de ces couches Par ailleurs, la température au niveau des masses-tiges peut être de l'ordre de 100 O C. Enfin des contraintes (contraintes résiduelles et contraintes de travail) peuvent apparaître, dans llalésage en particulier. En pratique, des fissurations importantes des pièces, partant de ltalésage, peuvent être observées après seulement quelques centaines d'heu- res de fonctionnement. Le but de la présente invention est de pouvoir disposer de masses- tiges amagnétiques présentant une excellente résistance à la corrosion sous tension telle qu'elle existe dans les forages pétroliers, en faisant appel à des aciers austénitiques à durcissement structural, choisis parmi ceux qui ont été décrits dans le brevet n O 70-20479. A cet effet, la présente invention a pour objet des masses-tiges amagnétiques pour le forage de puits de pétrole ou de gaz naturel, caracté- risées en ce qu'elles sont réalisées en acier austénitique à dur- cissement structural, présentant une composition comprise dans le domaine suivant: C % = 0,25 à 0,45; V % = 0,5 à 2,5; Mn % = 7 15 à 30; Or %: moins de 10. Plus avantageusement encore, la composition de l'acier est choisie dans le domaine suivant: C % = 0,34 à 0,36; V % = 1,7 à 1,9; Mn % = 20 à 25; Cr %: moins de 1. La résistance à la traction et la limite d'élasticité requises sont très facilement atteintes après une hypertrempe à l'eau (par exemple à partir de 11500 C) et un durcissement structural (par exemple: 10 heures à 6600 C), résultant d'une précipitation de carbures de vanadium. La perméabilité magnétique est inférieure à 1,005. Les nuances d'acier selon l'invention présentent deux avantages principaux par rapport aux nuances actuellement utilisées: 1 / Un prix de revient plus faible résultant de leu Eomposition et de leur mode de durcissement (durcissement structural par traitement thermique au lieu d'un écrouissage à la presse). / Surtout une résistance à la corrosion sous tension très nettement supé- rieure dans les conditions d'utilisation des masses-tiges. C'est ainsi que des essais de corrosion sous tension effectués au laboratoire sous charge constante ("r = R O 002) dans une solution aérée, portée à 110 C et contenant 310 g de CI 2 Mg et ll Og de CI Na par litre (condi- tionsde concentration pouvant être rencontrées en pratique pour les solutions destinées à la fabrication des boues de forage) ont donné les résultats sui- vants, sur éprouvettes de 2 millimètres de diamètre Composition l (écrouie), de type connu: Rupture des éprouvettes après 10 heures environ de maintien sous charge. Composition 2 (écrouie), de type connu: Rupture des éprouvettes après 100 heures environ de maintien sous charge. Nuance à durcissement structural, selon l'invention: Aucune rupture après 1000 heures de maintien sous charge. Ainsi, l'invention met à la disposition de l'industrie pétrolière des masses-tiges présentant les propriétés mécaniques requises associées pour la première fois à une excellente résistance à la corrosion sous tension, et pour un prix de revient plus bas que celui des masses-tiges de type connu. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'in- vention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails. REVENDICATIONS 1. Masses-tiges amagnétiques pour le forage de puits de pétrole ou de gaz naturel, présentant les propriétés mécaniques usuelles requises pour les masses-tiges, caractérisées en ce qu'elles sont réalisées en acier austénitique à durcissement structural obtenu par précipitation de carbures de vanadium, cet acier ayant une composition comprise dans le domaine sui- vant: C % = 0,25 à 0,45; V 7 = 0,5 à 2,5; Mn % = 15 à 30; Cr %: moins de 10, et en ce qu'elles présentent une excellente résistance à la corrosion sous tension. 2. Masses-tiges amagnétiques selon la revendication 1, caractérisées en ce qu'elles sont réalisées en acier austénitique à durcis- sement structural, présentant une composition comprise dans le domaine suivant: C % = 0,34 à 0,36; V % 7 = 1,7 à 1,9; Mn % = 20 à 25; Cr %: moins de 1.