Brevet FR2511748A1 — publié le 19830225

La présente invention concerne un joint en acier contenant du chrome, destiné à être utilisé pour relier un tubage de puits de pétrole et une colonne de production, ainsi que son procédé de fabri- cation Plus particulièrement, la présente invention concerne un joint et sa fabrication, joint qui présente une meilleure résistance à l'éraillure, ce joint comportant une partie d'étanchéité métallique et une partie filetée, une couche d'activation portant une couche dé- posée par électrodéposition étant prévue sur au moins une partie de la surface de la partie d'étanchéité métallique. Récemment, les tubages et colonnes de production de puits de pétr Ie étaient utilisés dans des conditions rigoureuses compre- nant une pression aussi élevée que 34, 5 à 138 M Pa et un joint destiné à être utilisé pour relier le tubage et la colonne de production à uti- liser dans de telles conditions rigoureuses nécessite des propriétés supérieures d'étanchéité. En général, un joint destiné à être utilisé pour relier un tubage de puits de pétrole et/ou une colonne de production (qu'on désignera ci- après pour simplifier par "joint de tubage et de colonne de production de puits de pétrole" ou "joint de puits de pétrole") est constitué d'une partie filetée et d'une partie métallique d'étanchéité. Pour obtenir un degré satisfaisant d'étanchéité métal-métal avec de tels joints, il est nécessaire d'appliquer une forte pression à la zone de contact face contre face aux parties métalliques filetées et d'étan- chéité En conséquence, étant donné qu'en service les tubes sont reliés et séparés de nombreuses fois par torsion et détorsion, l'appa- rition d"'éraillures" est inévitable sur ces portions. Les tubages et colonnes de production classiques de puits de pétrole sont constitués d'aciers ordinaires et d'aciers au Cr-Mo contenant quelques pourcents de Cr et Mo Cependant, récemment, les conditions dans lesquelles les champs pétrolifères sont exploités deviennent plus rigoureuses, et le tubage et la colonne de production des puits de pétrole doivent avoir une meilleure résistance à la corrosion même dans un milieu corrosif contenant H 2 S et CO 2 " et il a été proposé de fabriquer des tubages et colonnes de production de puits de pétrole à partir d'acier à forte teneur en Cr qui contient 10 % en poids ou plus de Cr. On sait déjà dans la technique que le phénomène d'éraillure mentionné cidessus peut être évité par un traitement de surface tel qu'un revêtement au phosphate et/ou un traitement par sablage de la surface de l'acier de la partie d'étanchéité métallique du joint de puits de pétrole Ce traitement de surface réduit le contact métal-métal. Ainsi, le joint des tubages et/ou colonnes de production de puits de pétrole de la technique antérieure fabriqué en une matière classique présente généralement un revêtement en phosphate de zinc ou en phosphate de manganèse. Le joint de puits de pétrole est constitué du même type de matériau que celui utilisé pour le tubage et la colonne de production de puits de pétrole En conséquence, si, selon la tendance récente, les tubages ou colonnes de production de puits de pétrole sont fabri- qués par exemple en acier à forte teneur en Cr, le joint de puits de pétrole est également réalisé à partir d'un tel acier allié à forte teneur en Cr. Cependant, un acier fortement allié tel qu'un acier allié à forte teneur en Cr est chimiquement moins actif, car sa surface est recouverte d'une pellicule passive tenace, et le revêtement de phos- phate classique n'offre pas une surface empêchant efficacement la formation d'éraillure Autrement dit, le procédé classique de forma- tion chimique n'empêche pas l'apparition d'éraillure dans le joint de puits de pétrole réalisé en acier fortement allié, par exemple contenant 10 % ou plus en poids de Cr. Ainsi, la présente invention se propose de -fournir un joint de puits de pétrole et un procédé pour sa fabrication, qui empêche l'apparition d"'éraillure" dans le joint de puits de pétrole réalisé en acier à forte teneur en Cr, au moyen d'un traitement de surface tout en conservant les propriétés avantageuses d'étanchéité malgré le fait que le traitement de surface de cet acier à forte teneur en Cr est en général difficile en raison de la présence d'une pellicule passive tenace à sa surface. La Demanderesse a effectué une série d'essais afin de découvrir la façon d'éviter l'apparition d"'éraillure" dans le joint de puits de pétrole réalisé en acier à forte teneur en Cr Elle a découvert qu'on pouvait y parvenir en appliquant une couche d'activa- tion primaire sur la surface de l'acier et une autre couche déposée par électrodéposition recouvrant la couche d'activation primaire précitée. Sur les dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple: la Fig 1 est une coupe schématique montrant un joint de puits de pétrole selon la présente invention au cours de l'assem- blage de deux pièces de tubage de puits de pétrole ou de colonne de production; la Fig 2 est une coupe schématique montrant un autre type de joint de puits de pétrole selon la présente invention; et la Fig 3 montre schématiquement en coupe une structure de surface comportant une couche d'activation et une couche déposée par voie électrolytique. En résumé, la présente invention concerne un joint de puits de pétrole pour relier un tubage et/ou une colonne de production de puits de pétrole, ayant de meilleures propriétés d'étanchéité métal-métal, le joint étant réalisé en acier allié contenant 10 % en poids ou plus de Cr et étant constitué d'une partie d'étanchéité métal- lique et d'une partie filetée, caractérisé en ce qu'au moins une partie de la surface de la partie d'étanchéité métallique est munie d'une couche d'activation en un métal ou alliage choisi parmi le fer, le nickel, le zinc, le cobalt, le cuivre, le manganèse, le chrome et leurs alliages, et d'une couche déposée par électrodéposition en un métal ou alliage choisi parmi le fer, le cuivre, le zinc, le chrome, le nickel et leurs alliages, ladite couche d'activation adhérant fer- mement à la surface de la partie d'étanchéité métallique, la quantité de la couche déposée par électrodéposition sur la couche d'activation étant de 2 g/m ou plus, de préférence de 20 g/m ou plus. Dans une forme préférée de réalisation de la présente in- vention, la couche d'activation est formée en soumettant la surface à une électrolyse anodique dans une solution aqueuse acide contenant des ions halogénure, puis immédiatement après à une électrolyse cathodique. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un joint destiné à être utilisé pour relier un tubage de puits de pétrole et/ou une colonne de production, ayant de meilleures propriétés d'étanchéité métal-métal, qui consiste à préparer un joint constitué d'un acier allié contenant 10 % en poids ou plus de Cr, ce joint comportant une partie filetée et une partie d'étanchéité métalli- que, à soumettre au moins une partie de la partie métallique d'étan- chéité à une électrolyse anodique dans une solution aqueuse acide contenant des ions halogénure, puis immédiatement après, à remplacer l'électrolyse anodique par une électrolyse cathodique dans la même solution aqueuse pour obtenir une couche activée d'un métal ou alliage choisi parmi le fer, le nickel, le zinc, le cobalt, le cuivre, le man- ganèse, le chrome et leurs alliages, et à effectuer l'électrodéposition d'un métal ou alliage choisi parmi le fer, le cuivre, le zinc, le chrome, le nickel et leurs alliages. Le traitement de surface selon la présente invention peut être appliqué à au moins une partie de la surface de la partie métal- lique d'étanchéité ainsi qu'à au moins une partie de la surface de la partie filetée du joint de puits de pétrole. Le terme "joint" utilisé dans le présent mémoire englobe non seulement un raccord tubulaire qui peut relier le tubage et/ou la colonne de production, mais également les portions d'extrémité du tubage et/ou de la colonne de production si elles comportent une partie métallique d'étanchéité et une partie filetée. 251 1748 Des exemples de l'acier fortement allié utilisé dans le présente invention, qui contient 10 % en poids ou plus de Cr ainsi que du nickel et autres éléments d'alliage, comprennent les aciers ferri- tiques, martensitiques, austénitiques ou à deux phases ferritique- austénitique, ainsi que tous autres matériaux qui conviennent à la fabrication de tubage de puits de pétrole et/ou colonnes de production. Un acier préféré est un acier fortement allié dont la composition d'alliage est Cr> 10 % et 10 % O Cr+Ni+Mo 95 % Comme mentionné ci-dessus, étant donné qu'un acier fortement allié contenant 10 % en poids ou plus de Cr, en particulier dont la composition est 10 % 4 Ni+Cr+Mo préféré de la présente invention, la surface de l'acier allié est sou- mise à un traitement d'activation pour préparer une surface activée, ce traitement consistant à appliquer une électrolyse anodique à la surface dans une solution aqueuse acide contenant des ions halogénure, de préférence des ions chlorure, puis à appliquer immédiatement après une électrolyse cathodique à la surface pour déposer électroly- tiquement un métal ou alliage choisi parmi Fe J, Ni, Zn, Co, Cu, Mn, Cr et leurs alliages. Autrement dit, comme première étape du traitement pré- liminaire de la surface d'acier traité, une couche d'activation est préparée de préférence en effectuant une électrolyse anodique de la surface de l'acier allié dans une solution aqueuse d'acide contenant des ions halogénure, puis en passant de l'électrolyse anodique à une électrolyse cathodique tout en maintenant la surface de l'acier allié dans ladite solution aqueuse Ainsi, on peut obtenir un placage pri- maire qui adhère fermement à la surface de l'acier En principe, le traitement préliminaire selon la présente invention n'est pas limité à ce traitement particulier, pour autant qu'il soit possible d'obtenir une couche d'activation qui adhère fermement à la surface de l'acier. Dans une forme de réalisation préférée, comme décrit ci-après, les métaux mentionnés ci-dessus sont ajoutés à la solu- tion acide sous la forme d'un halogénure, en particulier sous la for- me d'un chlorure ou d'un fluorure Les cations métalliques sont précipités sur la surface de l'acier allié pour former une couche d'activation. Selon une autre forme de réalisation préférée, l'électro- lyse anodique est effectuée à une densité de courant de 1 Aldm 2 ou plus pendant 10 secondes ou plus, généralement pendant 2 à 5 minutes, et l'électrolyse cathodique est conduite à une densité de courant de 1 A/dm ou plus pendant 10 secondes ou plus, généralement 2 à 6 minute s. La phrase "solution aqueuse acide contenant des ions halogé- nure" désigne une solution aqueuse ayant un p H acide, qui contient des ions halogénure, en particulier des ions chlorure (Cl-) ainsi que des cations métalliques devant être déposés par électrodéposition sous forme d'une couche d'activation Des exemples de l'halogénure sont Ni C 12, Cu C 12, Fe C 12, COC 12 > Zn C 12, Mn C 12, Cr C 13, etc Ceux-ci peuvent se présenter sous la forme d'un hydrate ou d'un anhydride. De préférence, la solution aqueuse acide contenant des ions halogé- nure est une solution aqueuse acide contenant des ions chlorure, tels que le chlorure ferreux, le chlorure de zinc et la chlorure cuivreux. Lorsqu'on utilise un chlorure comme halogénure, la quan- tité d'ions chlorure ajoutés à la solution aqueuse est de 1 g/l ou plus, calculée, en chlorure Au cas o l'acier allié contient 20 % ou plus de Cr, les ions chlorure sont de préférence ajoutés en une quantité de 30 g/l ou plus, calculée en chlorure. De plus, si on le désire, un additif tel que Li Cl, Na Ci, KCI, Mg Cl 2 et Ca C 12 peut être ajouté à la solution acide aqueuse pour accélérer l'activation de la surface de l'acier Le p H peut être ajusté par addition d'un acide, par exemple HCI et H 25 04. La couche ainsi préparée adhère fermement à la surface de l'acier en formant une couche primaire d'activation comme base 251 1748 pour l'électrodéposition qui suit. Un métal ou alliage choisi parmi Fe, Cu, Zn, Cr, Ni et leurs alliages, est ensuite déposé par électrodéposition sur la couche d'activation L'électrodéposition à ce stade de la présente invention peut être l'électrodéposition classique, qui n'est limitée en aucune façon pourvu qu'elle assure une quantité suffisante de dépôt pour résister à la pression de contact métal contre métal sans provoquer d'éraillure La quantité de dépôt est de 2 g/ m ou plus, de préfé- rence de 20 g/m ou plus. En conséquence, il est avantageux selon la présente inven- tion que, comme mentionné ci-dessus, l'électrodéposition classique soit appliquée à la surface activée pour former une couche déposée adhérant à la surface d'acier fortement allié. Lorsque le métal de la couche primaire est le même que celui de la couche déposée par électrodéposition, l'électrodéposition peut être poursuivie en utilisant le même bain de placage pour former une seule couche de placage Cependant, étant donné qu'un halogène gazeux (chlore) et d'autres gaz toxiques se dégagent généralement du bain d'halogénure pendant l'opération, il est préférable d'utiliser un bain de placage électrolytique différent ayant un p H acide De plus, avec le bain contenant un halogénure, le rendement du placage électro- lytique est assez faible et se traduit par une augmentation des frais de traitement En conséquence, il est préférable d'effectuer le dépôt électrolytique final en utilisant le bain acide classique dans une cellule séparée de dépôt électrolytique. Selon la présente invention, le placage ou dépôt électroly- tique peut être appliqué seulement à la surface de la partie métallique d'étanchéité du joint Cependant, lorsqu'un degré supérieur d'étan- chéité est nécessaire, il est avantageux d'appliquer également le placage au moins à une partie de la surface de la partie filetée de manière à empêcher plus efficacement l'apparition d'éraillure sur la surface métallique. La Fig 1 est une coupe schématique montrant un tubage (ou une colonne de production) 1 en cours de jonction avec un joint 2 pour former un joint 3 de puits de pétrole de la présente invention. Les extrémités annulaires internes du joint 2 de liaison comprennent des parties métalliques d'étanchéité 5, 5 et des parties filetées 4,4 prévues dans la surface vers les extrémités ouvertes La surface annulaire interne du joint de liaison 2 va en diminuant vers l'intérieur, de manière qu'au point le plus interne, c'est-à-dire au milieu du joint, le diamètre soit le plus petit La surface interne du joint de 1 Q liaison guide les extrémités introduites du tubage (ou colonne de production) devant être relié, jusqu'à ce que la partie d'étanchéité métallique 5 et l'extrémité avant du tubage se touchent et établissent un joint étanche à l'air Parfois, il est prévu dans la zone terminale c'est-à-dire la zone la plus interne de la partie métallique d'é- tanchéité une saillie ayant un rayon donné (omi se sur les dessins) pour améliorer encore l'étanchéité du joint L' extrémité correspon- dante du tube 1 constitue également une partie du joint de puits de pétrole de la présente invention et comprend, exactement comme le joint de liaison 2 mentionné ci-dessus, une partie filetée 4 ' et une partie métallique d'étanchéité 5 ' pour chacun des tubes 1 à relier. La Fig 2 montre un autre exemple du joint de puits de pétrole de la présente invention Les extrémités des tubes à relier constituent le joint 3 de puits de pétrole de la présente invention. Chacune des extrémités opposées des tubes comporte une partie filetée 4, 4 ' et une partie métallique d'étanchéité 5, 5 ', respective- ment En conséquence, il est inutile d'utiliser un joint de jonction 2 tel que montré sur la Fig 1 Sur la Fig 2, les mêmes éléments que ceux de la Fig 1 portent des références numériques identiques. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. EXEMPLES Un tube en acier est fabriqué à partir de l'acier allié dont la composition est indiquée au Tableau 1 ci-après Le tube résultant est ensuite fileté, comme montré sur la Fig 1, pour former un tube en acier et un joint de liaison ayant chacun un diamètre intérieur de 120 mm. La partie métallique d'étanchéité et la partie filetée du tube en acier et du joint de jonction ainsi préparés sont, après dégrais- sage, soumises au traitement d'activation de surface selon la pré- sente invention On procède à un dépôt électrolytique sur la surface d'acier activée ainsi obtenue à une température de 50 C à une den- sité de courant de 10 A/m pendant une période de temps donnée Le dégraissage est effectué en plongeant la surface métallique dans une solution de dégraissage alcaline disponible dans le commerce puis en lavant à l'eau la surface dégraissée. La coupe de la surface métallique ainsi obtenue est repré- sentée schématiquement sur la Fig 3 d'o il ressort clairement que deux couches différentes sont déposées sur la surface d'acier de la partie d'étanchéité métallique et la partie filetée du joint de liaison (et des tubes) 2 une première couche d'activation 6 ou couche pri- maire et, au-dessus, une seconde couche 7 déposée par électrodépo- sition. Le tube en acier et le joint de liaison résultant comportant chacun une partie filetée et une partie métallique d'étanchéité qui ont été traitées, c'est-à-dire pourvues d'une couche d'activation et d'une couche déposée électrolytiquement, selon la présente invention, sont reliés et démontés vingt fois selon la norme API Ensuite, la partie filetée et la partie métallique d'étanchéité sont examinées visuelle- ment pour déceler l'apparition d'éraillure L'étanchéité à l'air du joint est également testée selon la norme A Pl (RP-37) en appliquant une pression égale à 90 % de la pression de rupture de la surface in- terne du tube en acier On vérifie les fuites d'air. Les résultats d'essai ainsi que les conditions du dépôt primaire et les conditions de l'électrodéposition finale sont résumés sur le Tableau 2 ciaprès Le même traitement et les mêmes essais sont appliqués aux Aciers A et B On obtient sensiblement les mêmes 1748 résultats pour les deux aciers, de sorte que les résultats d'essai du Tableau 2 sont indiqués sans faire mention de l'acier utilisé. Les résultats d'essai du Tableau 2 ci-après montrent que pour les deux Aciers A et B, les joints de la présente invention sont supérieurs aux joints de comparaison en ce qui concerne la résistance à l'éraillure et les propriétés d'étanchéité. Dans ces essais, la couche d'activation et la couche déposée par électrodéposition sont présentes à la fois sur la partie métallique d'étanchéité et la partie filetée Cependant, l'effet désiré est obtenu si ces couches sont appliquées seulement sur la partie métallique d'étan- chéité. Tableau 1 Acier C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo A 0,20 0, 50 0,60 0,02 0,01 0,05 0,1 12,5 0,03 B 0,02 0,43 0, 83 0,01 0, 01 0,40 6,12 24,8 3,1 TABLEAU 2 Résultats Placage primaire Placage final d'essais Bain e plaage cnditins d'lectrlyse Couche déposée par Eraillu Fuite Exemple Band lcg odtosdéetoyeélectrodéposition re N Concentra Polar ité de Densité de Durée du Dépôt. tion Agent la surface courant trai tae métal (g/n 2) (g/l) d'acier (A/dm') (min) déposé________ 1 100 Fe Cl 2 Aodique 4 +> 3 C u 5 Néant Néant Bcl 2 athodique,_> 10 6 2 200 Ni Cl 2 Aodique +) 4 2 Cu 20 Néant Néant 11 1 c 200 Cu Cl 12 Nii ie(+) 73 Néant Néant 50 11 1 1 1 1 1 4 ue 9 m Tno oz n D S 01 (-Pnb Tpc)q 4 v DE IDII 001 OT 1 L 1 1 TDTN ME Co l 4 r v- -r- tri Cu N i (;Eq Tns) E nta Tqel REVENDICATIONS 1 Joint ayant de meilleures propriétés d'étanchéité métal-contre-métal destiné à être utilisé pour la liaison de tubages et/ou de colonnes de production de puits de pétrole, comprenant une partie métallique d'étanchéité et une partie filetée, et qui est réalisé en un acier allié contenant 10 % en poids ou plus de chrome, caracté- risé en ce qu'une partie au moins de la surface de ladite partie métal- lique d'étanchéité a été revêtue d'une couche d'activation en un métal ou alliage choisi parmi le fer, le nickel, le zinc, le cobalt, le cuivre, le manganèse, le chrome et leurs alliages, et d'une couche déposée par électrodéposition d'un métal ou alliage choisi parmi le fer, le cuivre, le zinc, le chrome, le nickel et leurs alliages, ladite couche d'activation étant fixée fermement à la surface d'acier en soumettant cette surface à une électrolyse anodique dans une solution acide con- tenant des ions halogénure puis immédiatement après à une électro- lyse cathodique, la quantité de la couche déposée par électrodéposi- tion sur la couche d'activation étant de 2 g/m ou plus. 2 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'activation et la couche déposée par électrodéposition sont présentes sur au moins une partie de surface de la partie métallique d'étanchéité ainsi que que sur au moins une partie de la surface de la partie filetée du joint. 3 Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'alliage d'acier ne contient pas moins de 20 % en poids de Cr. 4 Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ions halogénure sont des ions chlorure. Joint selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la quantité de la couche déposée par électrodéposition est de 20 g/m ou plus. 6 Procédé de fabrication d'un joint ayant de meilleures propriétés d'étanchéité métal-contre-métal à utiliser pour relier des tubages de puits de pétrole et/ou des colonnes de production, carac- térisé en ce qu'on prépare un joint réalisé en acier allié contenant 5 o en poids ou plus de chrome, ce joint comprenant une partie filetée et une partie métallique d'étanchéité, on soumet au moins une partie de ladite partie métallique d'étanchéité à une électrolyse anodi- que dans une solution aqueuse acide contenant des ions halogénure, puis immédiatement après on change l'électrolyse anodique en une électrolyse cathodique dans la même solution aqueuse pour obtenir une couche d'activation en un métal ou alliage choisi parmi le fer, le nickel, le zinc, le cobalt, le cuivre, le manganèse, le chrome et leurs alliages, et on effectue l'électrodéposition d'un métal ou alliage choisi parmi le fer, le cuivre, le zinc, le chrome, le nickel et leurs alliages. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les ions halogénure sont des ions chlorure en une quantité de 1 g/l ou plus, calculée en chlorure. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'acier allié contient 20 % ou plus de Cr et les ions chlorure sont présents en une quantité de 30 g/l ou plus, calculée en chlorure. 9 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'électrolyse anodique est effectuée à une densité de courant de 1 A/dm ou plus pendant une période de 10 secondes ou plus, et l'électrolyse cathodique est effectuée à une densité de courant de 1 A/dm ou plus pendant une période de 10 secondes ou plus. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'électrolyse anodique est effectuée pendant une période de 2 à 5 minutes et l'électrolyse cathodique est effectuée pendant une période de 2 à 6 minutes. 11 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la quantité de la couche déposée par électrodéposition placée sur la couche d'activation est de 2 g/m ou plus. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la quantité de la couche déposée par électrodéposition est de 20 glm 2 ou plus. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que l'électrodéposition sur la couche d'acti- vation est effectuée en utilisant un bain acide séparé de dépôt électro- lytique.