Brevet FR2769749A1 — publié le 19990416

La présente invention concerne une tige de grande longueur, suffisamment flexible pour être enroulée sur un touret, tout en étant rigide en compression pour pouvoir être introduite dans un conduit de grande longueur, par exemple un trou de forage, une canalisation, ou un tunnel. On connaît le document EP-352148 B1 de la demanderesse qui décrit une tige composite semi-rigide comportant des conducteurs et/ou des fibres optiques intégrés dans un matériau composite renforcé par des fibres de verre, de carbone ou d'aramide enrobées dans une matrice thermoplastique ou thermodurcissable. Les caractéristiques de rigidité et de résistance à la traction obtenues par une telle tige sont adaptées à la plupart des applications, en particulier dans les domaines ou les fluides présents autour de la tige n'ont pas d'effet sur la résistance mécanique du matériau composite. Mais les fibres de renfort, fibres de verre ou autres, peuvent se fragiliser en cours d'application. En effet, on peut citer en exemple le fait que les fibres de verre mises sous contraintes mécaniques dans un environnement de fluide aqueux salé et chaud peuvent se détériorer. Une rupture partielle ou totale des fibres de renfort entraîne également la détérioration des conducteurs et fibres optiques. Cette rupture qui peut conduire jusqu'à la perte d'un tronçon de tige dans le puits ou la conduite, peut avoir des conséquences graves pour les opérations en cours, et le repêchage en fond de puits peut être très difficile, voire impossible. La présente invention décrit une tige, perfectionnée par rapport à la tige décrite dans le document EP-352148-B1, qui comporte un renforcement mécanique optimisé pour notamment éviter les inconvénients précités. Ainsi, la présente invention concerne une tige semi-rigide en matériau composite comportant une ame constituée d'au moins une ligne de transmission de données électriques, optiques ou fluidiques, une couche de fibres de renfort enrobées dans une matrice plastique qui confère une rigidité déterminée tout en pouvant être élastiquement enroulée sur un tambour. La tige comporte en outre au moins une couche de renfort en fils d'acier disposée au dessus de ladite ame, telle que la résistance à la traction de ladite couche de renfort est au plus la moitié de la résistance à la traction de ladite couche de fibres. La couche de renfort en fils d'acier peut être constituée par une seule rangée de fils jointifs sur la surface extérieure de ladite âme. Les fils de renfort en acier peuvent être disposés sensiblement longitudinalement. La résistance à la traction de la couche de renfort peut être au plus le quart de la résistance à la traction de la couche de fibres. Selon une variante, une gaine extérieure d'étanchéité peut être extrudée au dessus de la couche de fibres de renfort. Cette gaine peut être en thermoplastique, par exemple un PVC, destinée notamment à protéger la couche de fibres de renfort et la matrice thermodurcissable des agressions chimiques par des fluides ou les rayonnements UV. L'invention peut être appliquée aux opérations de déplacement de moyens mesure ou d'instruments dans un conduite ou un puits fortement incliné. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'exemples, nullement limitatifs, de réalisations de la tige selon l'invention, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles La figure 1 montre en coupe transversale la tige semi-rigide. . Les figures 2A et 2B montrent schématiquement les dispositions des fils de renfort. . La figure 3 montre en coupe longitudinale un exemple de moyen de connexion en extrémité de la tige selon l'invention. La figure 1 montre un exemple de structure d'une tige semi-rigide selon l'invention. Ladite tige est constituée d'au moins trois éléments e l'âme centrale 1 constitue la partie comportant les moyens de transmission d'informations ou de commandes. Généralement, cette âme comporte au moins un conducteur électrique. Dans certains cas, comme représenté sur la figure 1, il y a sept conducteurs électriques 4 entourant une fibre optique 5. Il pourra également y avoir des conduits fluidiques au sein de cette ame. Pour blinder électriquement les conducteurs, un film cuivré peut enrober l'âme. On peut également disposer des fils de continuité de masse. . La partie 2 est constituée de fils métalliques de renforcement. La section des fils 6 peut être circulaire, carrée, rectangulaire, ou autre. La surface totale de la section des fils de renfort est déterminée en fonction de la résistance à la traction que l'on souhaite pouvoir toujours appliquer sur la tige, meme si le matériau composite 3 est partiellement ou totalement rompu. La partie 3 est constituée par un matériau composite comportant des fibres de renfort, en verre, en carbone ou aramide, enrobées dans une matrice en résine thermoplastique ou thermodurcissable, par exemple de la résine époxyde, phénolique, ou polyester insaturé ou vinylester. La plupart des fibres sont disposées longitudinalement, mais un certain nombre de fibres peut être posé en hélice. Le taux de fibres de renfort et de matrice est déterminé pour que la raideur de la tige soit grande tout en permettant l'enroulement de ladite tige sur un tambour dont le diamètre est environ entre 1,5 et 3 mètres et de préférence voisin de 2 mètres. La flexion due à l'enroulement ne doit pas entraîner de déformation des matériaux constitutifs de la tige au delà de la limite élastique. Ainsi, la section de la partie composite 3 est relativement grande proportionnellement au diamètre de la tige, lui conférant une résistance à la traction (compte tenu des caractéristiques mécaniques des fibres) qui dépasse ce que l'on a besoin pour effectuer le retrait de la tige et les outils fixés en extrémité. . La référence 20 désigne une couche supplémentaire optionnelle déposée par extrusion, dans le but d'isoler au mieux la couche de matériau composite 3 des fluides extérieurs, ou pour limiter l'abrasion. Un exemple de caractéristiques dimensionnelles et mécaniques d'une tige semi-rigide renforcée est donné ci-après Diamètre extérieur de la partie 1: 5,5 mm . Epaisseur des fils de renfort 6 : 1 mm Les fils de renforts sont disposés de façon jointive sur l'extérieur de l'âme. Module d'élasticité de l'acier des fils de renfort : 500 à 2000 Mpa, et de préférence environ 1700 Mpa. Diamètre extérieur de la tige: 19 mm. Poids linéique de la tige: 0,6 à 1 kg/m Taux de fibres de verre: au plus 80%. Matrice en résine vinylester. Résistance à la traction du composite seul (fibres de verre) : environ 8 tonnes Résistance à la traction des fils de renfort 6 : 2 à 4 tonnes On note que la tige ci-dessus pèse entre 600 kg et 1000 kg pour 1000 m de longueur. Les instruments (par exemple sondes de mesure) que l'on peut être conduit à fixer à l'extrémité de la tige ont un poids qui n'excède pas 800 kg. La capacité de traction des fils de renfort est généralement entre 2 et 4 t, mais pourrait être augmentée en choisissant d'autres aciers de limite élastique supérieure. Cette capacité est donc compatible avec des longueurs de tiges de plusieurs milliers de mètres. Bien entendu, il faut tenir compte du fait que la canalisation est remplie d'un liquide dont la densité diminue le poids à tracter vers la surface. Les figures 2A et 2B représentent schématiquement les dispositions de la ou des couches 2 de fils de renforts 6 qui sont disposés sur la surface extérieure de l'rame 1 d'axe longitudinal t. Sur la figure 2A, les fils de renfort sont posés selon une hélice faisant un angle a avec la direction t. Cet angle o: doit être de préférence inférieur à 35 puisque ces fils ont pour fonction de résister à des contraintes longitudinales de traction. Pour des raisons de fabrication, il peut être nécessaire de tenir les fils 6 par des moyens de fixation 7 autour des fils. Ces moyens peuvent être des bandes collantes renforcées, disposées en anneau ou enroulées sensiblement en continu autour de la couche 2. La figure 2B montre une disposition des fils de renfort disposés longitudinalement de manière sensiblement parallèle à la direction de l'axe t. Dans ce cas, on maintient les fils également par des moyens de fixation 7. Ainsi disposés, les fils d'acier ne génèrent pas de torsion lorsque la tige est en tension. Les parties 1 et 2 sont ensuite enrobées par le matériau composite 3 selon la technique de pultrusion. Il est clair que les fils de renfort sont alors noyés dans la matrice d'enrobage des fibres de renfort dudit matériau composite. Une tige semi-rigide selon l'invention présente ainsi une raideur importante, une relative légèreté par rapport à un coiled-tubing acier, une surface extérieure lisse qui a un coefficient de frottement réduit avec les parois de la canalisation ou du puits dans lequel est introduite la tige selon l'invention. En fonctionnement normal, tous les efforts, y compns en traction, sont supportés par la matériau composite. En cas de détérioration partielle ou totale du matériau composite, les fils de renfort 6 en acier reprennent progressivement l'effort de traction. S'il y a rupture des fibres du composite, il restera une continuité mécanique par les fils de renfort de la partie 2 ainsi que la continuité des conducteurs de l'âme 1. Cette continuité permet de remonter hors du puits les instruments de mesure dans la limite de traction des fils d'acier de la couche de renfort 2. La figure 3 illustre schématiquement un moyen de connexion mécanique avec les instruments 8 fixés à l'extrémité inférieure de la tige selon l'invention. Le moyen de connexion peut aussi être utilisé pour relier deux tronçons de tige semi-rigide, ou un tronçon de tige avec un coiledtubing ou des tiges de manoeuvre conventionnelle. On pourra se référer aux documents EP-352148-B1 et FR-2708055, cités ici en référence, qui décrivent des moyens de connexion mécanique sur des tiges semi-rigides antérieures. Avec une tige comportant à la fois des fils en acier de renfort et un matériau composite, par exemple époxy et fibres de verre, la retenue pourra de préférence être réalisée à la fois sur les fils en acier et sur le matériau composite. Sur la figure 3, un manchon 9 comportant deux éléments 9a et 9b est enfilé sur une extrémité d'une tige semi-rigide selon l'invention. L'élément 9a est serti, et/ou collé, sur la surface extérieure de l'extrémité de la tige, par exemple selon ce qui est décrit dans le document FR-2708055. L'élément 9b comporte: un orifice central qui permet le passage de l'âme 1, une surface conique femelle 13, et un filetage 1 1 pour l'assemblage avec l'extrémité supérieure de l'instrument 8. Les fils d'acier 6 sont coincés sur la surface 13 par le moyen d'un cône 10. Sans sortir de l'invention, on pourra connecter deux moyens de connexion ensembles, par l'intermédiaire du filetage 11, de façon à relier deux tronçons de tige semi-rigide. Egalement, si la tige comporte deux couches superposées de fils de renfort, on pourra utiliser un système de coincement des fils à double cône coaxiaux Une telle tige semi-rigide est utilisée dans des opérations de mesure dans des conduites ou des puits où la mise en place des instruments est problématique car ils ne peuvent pas descendre sous leur propre poids, par exemple parce que la conduite ou le puits comportent une portion très inclinée et même horizontale. La tige selon l'invention peut permettre d'exercer une poussée sur les instruments afin de les déplacer, puis une traction pour les remonter à la surface du sol, ou pour les sortir de la conduite. Les manoeuvres sont facilitées par le fait que la tige est enroulée sur un tambour ayant un diamètre généralement d'environ 2 mètres. Avec la tige selon l'invention, les applications suivantes sont possibles, mais nullement limitées à celles-ci: opérations de logging dans un puits petrolier fortement incliné, mise en place de capteurs permanents dans des tubes de production, contrôle et inspection interne dans des pipe-lines ou des flexibles, mesures géologiques dans des forages en amont d'un creusement de tunnel, etc. REVENDICATIONS 1) Tige semi-rigide en matériau composite comportant une ame (1) constituée d'au moins une ligne de transmission (4, 5) de données électriques, optiques ou fluidiques, une couche de fibres de renfort enrobées dans une matrice plastique (3) qui confère une rigidité déterminée tout en pouvant être élastiquement enroulée sur un tambour, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins une couche de renfort (2) en fils d'acier (6) disposée au dessus de ladite âme, telle que la résistance à la traction de ladite couche de renfort (2) est au plus la moitié de la résistance à la traction de ladite couche de fibres (3). 2) Tige semi-rigide selon la revendication 1, dans laquelle ladite couche de renfort en fils d'acier est constituée par une seule rangée de fils jointifs sur la surface extérieure de ladite âme. 3) Tige semi-rigide selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits fils de renfort en acier sont disposés sensiblement longitudinalement. 4) Tige semi-rigide selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la résistance à la traction de ladite couche de renfort est au plus le quart de la résistance à la traction de ladite couche de fibres. 5) Tige semi-rigide selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une gaine extérieure d'étanchéité est extrudée au dessus de la couche de fibres de renfort. 6) Application de la tige selon l'une des revendications 1 à 5, au déplacement de moyens mesure dans un conduite ou un puits fortement incliné.