Brevet FR2526122A1 — publié le 19831104

TUBES RESISTANT A L'ACIDE SULFHYDRIQUE La présente invention concerne des tubes résis- tant à l'acide sulfhydrique. Plus particulièrement, l'invention concerne des tubes à grande résistance destinés à être utilisés dans un environ- nement acide dans lequel la pression partielle d'acide sulfhydrique en phase gazeuse peut dépasser 300 Pa ou dans lequel la teneur en acide sulfhydrique en phase liquide peut avoir une pression d'équilibre correspondante et/ou dans lequel de l'anhydride carbonique ou même d'autres substances acidifiantes peuvent être présentes Ces tubes sont destinés principalement à l'emploi comme tubes de production dans les puits de pétrole acides. On estime actuellement que 20 % de la totalité des puits de pétrole exploités à ce jour sont acides et cette valeur est susceptible de s'accroître Ceci signifie par exemple que de l'acide sulfhydrique est présent dans la phase gazeuse ou liquide D'autres substances corrosives peuvent également être présentes, mais l'acide sulfhydri- que pose des problèmes particuliers en ce qui concerne les aciers à grande résistance. Lorsque la teneur en acide sulfhydrique de la phase gazeuse dépasse environ 300 Pa, il se produit un phénomène appelé "fissuration due aux sulfures" Cette fissuration réduit la résistance de l'acier bien en des- sous de ses limites normales de rupture et d'élasticité. A ce jour, on extrait le pétrole de profondeurs atteignant 10 000 m et parfois plus La pression du gaz dans ces puits profonds est souvent extrêmement élevée et les exigences relatives à l'acier utilisé dans les tubes sont donc très sévères. Chaque compagnie pétrolière a des spécifications pour les tubes utilisés pour les puits de pétrole acides, qui concernent principalement les aciers fortement ou fai- blement alliés et durcis De plus, ces aciers peuvent ne pas avoir été travaillés à froid Le dressage à froid est accepté par une ou deux compagnies mais uniquement sous réserve qu'il soit suivi d'un recuit de détente dans des conditions soigneusement précisées; Les tubes d'acier durci, faiblement allié, et parfois les tubes d'acier fortement allié, sont générale- ment utilisés actuellement pour les tubes de production à grande résistance utilisés dans un environnement d'aci- de sulfhydrique Les inconvénients de ces deux types de tubes sont qu'ils sont coûteux, que leur tolérance et leur surface sont moins bonnes que celles des tubes faits d'un acier au carbone normal ou d'un acier faiblement allié et que de plus ilssont plus difficiles à usiner Le but de la présente invention est donc d'éliminer ces inconvé- nients. Ce but est atteint selon l'invention grâce au tube décrit dans l'introduction qui est caractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir d'un acier au carbone ou d'un acier allié déformé à froid. Selon un mode de réalisation préféré de l'in- vention, l'acier est recuit et la température de recuit est de préférence d'environ 400-6750 C. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, l'acier a la composition suivante C O 1,20 % Si O 1,0 % Mn 0 3,0 % Cr 0 2,0 % Ni 0 1,0 % Mo O 1,0 % Cu O 1,0 % V O 0,3 % Nb 0 0,2 % Ca 0 0,05 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 % Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, l'acier a la composition suivante: C 0,05 0,40 % Si 0,10 0,50 % Mn 0,6 2,0 % Cr 0,0 0,50 % Ni 0,0 1,0 % Cu 0,0 0,50 % V 0,0 0,20 % Nb 0,0 0,10 % Ca 0,0 0,005 % Fe + impuretés normales jusqu'à % Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, l'acier a la composition suivante: C 0,10 0,25 % Si 0,10 0,50 % Mn 0,80 1,80 % Cr 0,0 0,40 % Ni 0,0 1,0 % Cu 0,0 0,50 % V 0,0 0,20 % Nb 0,0 0,10 % Ca 0,0 0,005 % Fe + impuretés normales jusqu'à. % Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, l'acier a une teneur en soufre extrêmement faible d'environ 0,0 0, 005 % de S Les teneurs normales en soufre sont entre environ 0,005 et 0, 050 % de S. Comme indiqué ci-dessus, le travail à froid fournit des surfaces, des tolérances et une usinabilité qui ne sont meilleures que dans le cas o l'on utilise le durcissement et surtout réduit considérablement les coû 3 ts par rapport aux aciers fortement alliés ou faiblement alliés et durcis. La Demanderesse a découvert que de façon sur- prenante, on obtient une meilleure résistance à la fissu- ration due aux sulfures avec des tubes d'acier selon l'in- vention qu'avec des tubes d'acier fortement allié ou faiblement allié et durci ce qu'on considérait aupara- vant impensable On se réfère ici au NACE Standard Mr-01-75 (révision de 1980) "Material Requirement - Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Material for Oil Field Equipment", publié par le National Association of Corrosion Engineers Cette norme se réfère elle-même principalement aux normes A Pl 5 A et 5 AX Il ressort de façon évidente de cette norme que l'acier faiblement al- lié à forte résistance travaillé à froid est inconceva- ble pour l'extraction du pétrole des puits de pétrole acides. Les expériences effectuées, qui sont décrites dans les exemples, montrent cependant qu'on obtient une bien meilleure résistance avec les aciers faiblement al- liés recuits et travaillés à froid selon l'invention qu'avec les qualités d'acier précédemment stipulées La théorie sous-jacente à ce phénomène n'a pas été entière- ment déterminée mais un facteur contributif peut être que la déformation à froid provoque un accroissement de la densité de dislocation ce qui accroît la résistance de l'acier Pendant le recuit à une température modérée, c'est-à-dire 500-650 'C, il se produit dans la matière des tensions internes qui peuvent par ailleurs contribuer à la fissuration due aux sulfures, sans que la densité de dislocation soit réduite de façon trop importante. La résistance de l'acier est donc obtenue par le travail de l'acier Selon un mode de réalisation de l'invention, on fabrique le tube par laminage à froid. Le degré de déformation à froid doit donc être d'au moins 10 % et de préférence d'au moins 30 % La contrainte critique inférieure de l'acier doit être d'au moins 550 M Pa et de préférence d'au moins 650 M Pa. Selon un autre mode de réalisation de l'inven- tion, le tube est fabriqué par étirage à froid Dans ce cas, le degré de travail à froid doit être d'au moins 10 % et l'acier doit avoir une contrainte critique inférieure d'au moins 550 M Pa. En dehors de leur application comme tubes de production pour le forage du pétrole, c'est-à-dire de ti- ges, les tubes selon l'invention peuvent également être utilisés comme revêtement des forages extrêmement profonds, c'est-à-dire comme cuvelage et également pour la fabrica- tion de tiges de forage et également pour d'autres appli- cations en forage, telles que des raccords, des vannes, des garnitures, etc. Une expérience comparative est décrite ci-dessous pour illustrer l'utilisation selon l'invention d'acier travaillé à froid dans un environnement acide. Dans cette expérience, on teste des tubes fabri- qués à partir d'acier de qualité SKF 280, dans le premier cas travaillé à froid et recuit ( 1,5 heures à 515 WC) et dans le second cas trempé et recuit ( 2 heures à 570 'C). Le tableau 1 montre l'analyse chimique de l'a- cier étudié et le tableau 2 montre les propriétés mécani- ques des échantillons d'acier SKF laminé à froid ou trem- pé et recuit __________ ____ TABLEAU 1 TABLEAU 2 (Propriétés mécaniques) C 0,18 % Laminé Si 0,37 % à froid Durci Mn 1,46 % Rc L (M Pa) 840 866 P 0, 014 % RM (M Pa) 910 906 S 0,020 % A 5 (%) 19 19 Cr 0,07 % Z (%) 59 64 Ni 0,06 % HB 269 300 Mo 0,02 % V 0,10 % On utilise les environnements d'essai suivants 1 Na Cl à 5 % saturé d'H 2 S = solution coton 2 Na Cl à 5 % saturé d'H 2 S + 0,5 d'acide acétique = solution NACE La méthode d'essai utilisée est l'essai de flexion en trois points et la durée d'essai est de heures. Les résultats de l'expérience sont illustrés par le diagramme suivant Les colonnes correspondent aux tiges d'essai totales et la limite supérieure de la co- lonne indique la charge appliquée. Un astérisque (*) indique la rupture d'une ti- ge d'essai à la charge correspondante. Environnement Environnement d'essai 1 d'essai 2 LL *Hfoi froi C X durci urci Laminé à Lamine a froid froid Le diagramme montre que les tubes laminés à froid selon l'invention sont plus résistants à la cor- rosion due aux sulfures que les tubes durcis. La conclusion que l'on peut tirer des résultats obtenus est que les tubes en SKF 280 laminés à froid se- lon l'invention sont au moins aussi bons que les tubes durcis des types 4 130 et 4 140 ou d'autres types 4 lxx recommandés classiquement pour l'emploi dans les puits acides. 25.26122 REVENDICATIONS 1 Tube à grande résistance destiné à être utilisé dans un environnement acide dans lequel la pression partielle de l'acide sulfhydrique en phase gazeuse peut dépasser 300 Pa ou dans lequel la teneur en acide sulfhydrique en phase liquide peut avoir une pression d'équilibre corres- pondante et/ou de l'anhydride carbonique ou même d'au- tres substances acidifiantes peuvent être présentes, ca- ractérisé en ce qu'il est fabriqué à partir d'un acier au carbone ou d'un acier allié déformé à froid. 2 Tube selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier est recuit. 3 Tube selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température de recuit est d'environ 400- 6750 C. 4 Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier a la composi- tion suivante: C 0 1,20 % Si 0 1,0 % Mn 0 3,0 % Cr O 2,0 % Ni 0 1,0 % Mo 0 1,0 % Cu 0 1,0 % V O -0,3 % Nb 0 0,2 % Ca 0 0,05 % Fe + impuretés normales jusqu'à 100 % Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier a la composi- tion suivante: C Si Mn 0,05 0,10 0,6 0,40 0,50 2,0 % %/ o, 0,0 0,50 0,0 1,0 0,0 0,50 0,0 0,20 0,0 0,10 0,0 0,005 4 impuretés % % % % 0/ % nomales jusqu'à % 6 Tube selon l'une quelconque des tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'acier a tion suivante: C 0,10 0,25 % Si 0,10 0,50 % Mn 0,80 1,80 % Cr 0,0 0,40 % Ni 0,0 1,0 % Cu 0,0 0,50 % V 0,0 O 20 % 0,0 0,10 % 0,0 0,005 % + impuretés norma: revendica- la composi- les jusqu'à % 7 Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que l'acier a une teneur en soufre extrêmement faible, de préférence d'environ 0,0-0,005 % de S. 8 Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par la- minage à froid. 9 Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce que le degré de déformation à froid est d'au moins %. Tube selon la revendication 8, caractérisé en ce que le degré de déformation à froid est d'au moins 30 % - 11 Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce que la contrainte Cr Ni Cu V Nb Ca Fe Nb Ca Fe l.0 :len' inférieure de l'acier est d'au moins 550 M Pa. 12 Tube selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10, caractérisé en ce que la contrainte criti- que inférieure de l'acier est d'au moins 650 M Pa. 13 Tube selon l'une quelconque des revendica- tlons 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par étirage à froid. 14 Tube selon la revendication 13, caractéri- se en ce que le degré de déformation à froid est d'au moins 10 ' et en ce que l'acier a une contrainte criti- que inférieure d'au moins 550 M Pa.