Brevet FR2531998A1 — publié le 19840224

TIGES RESISTANT A L'ACIDE HYDROSULFURIQUE L'invention concerne l'utilisation de tiges a résistance élevée vis-à-vis d'un environnement acide, dans lequel la pression partielle en H S, en phase gazeuse, peut excéder 300 Pa ou dans lequel le contenu en H 25, en phase liquide, peut avoir une pression d'équilibre corres- pondante, et/ou dans lequel Co 2 et même d'autres substan- ces acidifiantes peuvent être présentes, et l'invention concerne en particulier leur utilisation comme tiges de pompe dans les puits de pétrole acide. On estime qu'aujourd'hui 20 % de tous les puits de pétrole qui sont exploités sont acides et ce caractère est destiné à augmenter Ce qui signifie par exemple que l'acide hydrosulfurique est présent en phase liquide ou gazeuse D'autres substances corrosives peuvent également être présentes, mais H 2 S est-responsable de problèmes par- ticuliers vis-à-vis d'aciers de résistance élevée. Lorsque le contenu en H 2 S, en phase gazeuse, dépasse environ 300 Pa, il se produit un phénomène copnu sous le nom de fissuration sous tension en milieu sulfuré, ("sul- fide stress-cracking", SSC) Ce craquage réduit la résis- tance de l'acier à une valeur très en-dessous de la va- leur de rupture normale et des points de limite élasti- que Les pompes à pétrole conventionnelles mises en oeu- vre selon le principe de levier, utilisent de longues ti- ges connues sous le nom de "tiges de pompage" Ces tiges de pompe peuvent être utilisées dans des forages dont la profondeur peut avoir au moins environ 1 000 m Les tiges sont soumises à une forte tension surtout selon la direc- tion longitudinale Si les tiges doivent être utilisées dans des puits acides, elles doivent répondre à des conditions extrêmement astreignantes vis-à-vis de la composition et de l'usinage. Ces conditions exigent tout d'abord d'avoir re- cours soit à des aciers durcis et faiblement o fortement alliés De plus, ces aciers peuvent ne pas avoir été travaillés à froid pendant le procédé de fabrication Le redressement à froid est accepté dans des cas exceptionnels, mais seulement à condition que le recuit de libération des contraintes, soit effectué sous des conditions soi- gneusement respectées. Les tiges en acier, durci, faiblement allié, et dans des cas exceptionnels, les tiges en acier for- tement alliés, sont habituellement utilisés pour des tiges de production de résistance élevée dans un environnement d'H 2 S Les inconvénients de ces deux types de tiges incluent le fait qu'ellessont chères, qu'elles ont des tolé rances et des surfaces plus faibles que les tiges qui sont faites d'aciers au carbone normal ou en acier faible- ment allié, et de plus,elles sont plus difficiles à usiner. Le but de l'invention est, en conséquence, d'éliminer les inconvénients cités ci-dessus. Ceci est réalisé grâce à la présente invention en utilisant des tiges fabriquées à partir d'acier au carbone déformé à froid ou d'acier faiblement alliéjdéfor- mé à froid. Selon un mode de réalisation préféré de l'inven- tion, l'acier est recuit à la température de recuit et de préférence d'environ 400-675 *C. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, l'acier à la composition suivante C 0 1,20 % Si O 1,0 % - Mn O 3,0 % Cr O 2,0 % Ni O 1,0 % Mo 0 lo % Cu O - 1,0 % V 0-0,3 % Nb O 0,2 % Ca O 0,05 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 %. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'acier a la composition suivante: C 0,05 0,55 % Si 0,10 0,50 % Mn 0,6 2,0 % Cr 0; O 0,50 % Ni 0,0 1,0 % Cu 010 0; 50 % : V 0,0 O J 20 % Nb 0,0 0,10 % Ca 050 0,005 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'acier a la composition suivante: C 0,10 0,55 % Si O; 10 0,50 % Mn 0,80 1,80 % Cr O > O 0,40 % Ni 0)0 1 > O % Cu 0,0 O > 50 % V 0,0 0,20 % Nb 0)0 0,10 % Ca 0,0 0)005 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 % Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'acier a un contenu en soufre extrêmement faible d'envi- ron 0,0-0,005 % Les contenus normaux en soufre sont d'environ 0,005-0,050 %. Comme indiqué ci-dessus, le travail à froid pro- duit de meilleures surfaces et tolérances, un meilleur usinage qu'après durcissement, et de façon très importante, 2531 998 des coûts considérablement plus faibles en comparaison d'acier durci et fortement-ou faiblement allié. On a trouvé de façon tout à fait surprenante qu'une meilleure résistance au craquage sous contrainte de sulfure est obtenue avec des tiges d'acier selon l'invention que celle obtenue avec des aciers, faiblement alliés, durcis ou fortement alliés, ce qui, jusqu'à présent, était considéré comme impensable On se réfère à la norme NACE MR-01-75 (révision 1980) "Material Requi- rement Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Mate- rial for Oil Field Equipment", éditée par l'Association Nationale des Ingénieurs de Corrosion Cette norme à son tour se réfère tout d'abord aux normes A Pl 5 A et 5 AX Il est clair> d'après cette norme que l'acier travaillé à froid,à résistance élevée et faiblement allié a jusqu'à présent été considéré comme tout à fait inutilisable pour extraire le pétrole des puits de pétrole acide - Cependant les expériences réaliséesqui font l'ob- jet des exemplesmontrent que même une meilleure résistan- ce est obtenue pour des aciers faiblement alliés, recuits, travaillés à froid selon la présente invention par rapport à la résistance correspondant aux catégories d'aciers envi- sagées auparavant La théorie correspondant à ce phénomène n'a pas été complètement déterminée, mais l'un de ses fac- teurs peut bien être que la déformation à froid résulte dans une densité de dislocation augmentée, ce qui accroît ainsi la force de l'acier Pendant le recuit aux tempéra- tures modérées, c'est-à-dire 500-650 WC, les contraintes internes sont provoquées dans le matériau, ce qui peut contribuer au craquage sous contrainte de sulfure En même temps, une sous-structure à grains extrêmement fins appa- raît, la taille des sous-particules étant de 0,2 à 0,5 ym. La résistance de l'acier est ainsi obtenue en tra- vaillant l'acier Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, la tige est fabriquée au moyen de laminage à froid Le degré de la déformation à froid est ensuite d'au moins 5 %, de préférence d'au moins 25 % Le point de limite élastique inférieur de l'acier doit être au moins de 500 M Pa, de préférence d'au moins 650 M Pa. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la tige est fabriquée au moyen d'étirage à froid Dans ce cas, le degré d'étirage à froid doit être d'au moins 5 % et doit avoir un point de limite élastique inférieur d'au moins 550 M Pao Un exemple comparatif est décrit ci-dessous il- lustrant l'utilisation selon l'invention d'acier travail- lé à froid dans un environnement acide. Dans cette mise en oeuvre, on teste les tiges fabriquées à partir d'acier de qualité SKF 280, dans le premier cas recuit et travaillé à froid (l H 30 à 515 C) et dans le second cas, recuit et durci ( 2 H à 570 C). Le tableau 1 représente l'analyse chimique de l'acier soumis à l'essai et le tableau 2 représente les propriétés mécaniques des piéces testées d'acier SKF 280, recuit, durci ou laminé à froid. TABLEAU 1 TABLEAU 2 (Propriétés mécaniques) C 0 X 18 % Laminé à froid durci Si 0537 % Mn 1)46 % R (M Pa) 800 866 P O; 014 % e L S 0,020 % R (M Pa) 850 906 Cr 0; 07 % Ni 006 % A 5 (%) 19 19 % Mo 0,02 % Z (%) 59 64 V 0,10 % HB 269 300 L'environnement d'essaissuivant est utilisé: 1 Na Cl à 5 %, H 2 S saturé = solution coton 2 Na Cl à 5 %, H 2 S saturé + 0,5 d'acide acéti- que = solution NACE. La méthode d'essai utilisée est l'essai de pliage en trois points et le temps d'essai est de 100 heures. Les résultats de l'essai sont donnés dans le diagramme suivant Les colonnes correspondent aux tiges d'essai totales et la limite supérieure de la colonne in- dique la charge appliquée. Un astérisque (*) indique la rupture d'une tige d'essai à la charge correspondante. Environnement d'essai I ao x a{ -4 a> a> z> v) durci laminé à froid Environnement d'essai * * durci laminé à froid Le diagramme montre que les tiges laminées à froid utilisées selon la présente invention sont plus ré- sistantes à la corrosion par la contrainte d'H 2 S que les tiges durcies. La conclusion que l'on peut tirer des résultats obtenus est que les tiges laminées à froid, c'est-à-dire SKF 280, selon l'invention sont au moins aussi bonnes que les tiges durcies, que les tiges de types 4130 ou 4140 ou autres types 41 xx classiquement recommandés pour l'utilisation dans les puits acides. REVENDICATIONS 1 Application de tige à résistance élevée dans un environnement acidesdans lequel la pression partielle en H 2 S en phase gazeuse peut excéder 300 Pa ou dans lequel le contenu en H 2 S en phase liquide peut avoir une pression d'équilibre correspondante et/ou dans lequel C Oz et même d'autres substances acidifiantes peuvent être présents en particulier dans les puits de pétrole acide, caractérisée en ce que la tige est fabriquée à partir d'acier au car- bone déformé à froid ou d'acier faiblement alliéddéformé à froid. 2 Tige selon la revendication 1, caractéri- séeen ce que l'acier est recuit. 3 Tige selon la revendication 2, caractéri- séeen ce que la température de recuit est d'environ 400- 675 C. 4 Tige selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractériséeen ce que l'acier a la compo- sition suivante: C 0 120 % Si O 1,0 % Mn 0 3 > 0 % Cr 0 2,0 % Ni 0 1 > 0 % Mo 0 1,0 % Cu O 1,0 % V O O > 3 %' Nb O O > 2 % Ca O 0)05 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 %. Tige selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractériséeen ce que l'acier a la compo- sition suivante: C 0,05 0,55 % Si 0,10 0 > 50 % Mn 076 2,0 % Cr 0)0 0,50 % Ni 0 > 0 1 0 % Cu 0 X 0 0,50 % V 0,0 0,20 % Nb 0,0 0,10 % Ca 0,0 0 > 005 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 %. 6 Tige seion l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisée en ce que l'acier a la compo- sition suivante: C 0 > 10 0,55 % Si 0 > 10 0; 50 % Mn 0,80 1,80 % Cr 0; 0 O; 40 % Ni 0,0 170 % Cu 0,0 0 > 50 % V 0 > O 0 > 20 -% Nb 0 > 0 O o 10 % Ca 00 O 0; 005-% Fe + impuretés normales jusqu'à 100 %. 7 Tige selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce que l'acier a un contenu en soufre extrêmement faible, de préférence d'environ 0,0-0,05 %. 8 Tige selon l'une quelconque des revéndi- cations 1 à 7, caractérise en ce qu' elle est fabriquée par laminage à froid. 9 Tige selon la revendication 8, caractéri- sée en ce que le degré de déformation à froid est d'au moins 5 %. Tige selon la revendication 8, caractéri- sée en ce que le degré de déformation à froid est d'au moins %. 11 Tige selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractériséeen ce que le point inférieur de limite élastique de l'acier est d'au moins 550 M Pa. 253 1 998 12 Tige selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 10, caractérisé en ce que le point de limite élastique inférieur de l'acier est d'au moins-650 M Pa. 13 o Tige selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérise en ce qu'elle est fabriquée par étirage à froid. 14 Tige selon la revendication 13, caracté- riséeen ce que le degré de déformation à froid est d'au moins 5 % et en ce que l'acier a un point de limite élastique inférieur d'au moins 550 M Pa.