Brevet FR2857690A1 — publié le 20050121

La présente invention concerne le domaine du forage en mer, en particulier en mer profonde, c'est à dire pouvant atteindre des profondeurs d'eau d'environ 3000 m. Le système selon l'invention permet d'effectuer des 10 opérations de forage à travers une tranche d'eau, sans tête de puits sousmarine, c'est-à-dire installée sur le fond marin. Au contraire, la tête de puits et tous ses composants, notamment de sécurité tels que BOP, sont aériens et installés sur le support flottant. Pour le forage en mer, il est déjà connu d'utiliser une architecture avec 15 une tête de puits aérienne, mais cela n'est possible que dans certaines conditions: -lorsque le support de forage est fixe: "Jack-up" et plate-forme posée sur le fond; -avec support flottant, lorsque la tranche d'eau est faible, les 20 conditions maritimes douces, et/ou les pressions des gisements forés faibles. Dans ces conditions, la colonne de tubes utilisée pour traverser la tranche d'eau est constituée de tubes API de type "casing" identiques à ceux utilisés pour cuveler les parois du puits foré dans le sol. Ces tubes casing ont des connecteurs vissés et ne sont pas adaptés à subir des efforts dynamiques. 2 2857690 Ainsi, la présente invention concerne un système de forage en mer comprenant un support flottant, un puits foré dans le fond sous-marin, une colonne tubulaire prolongeant le puits jusqu'au support flottant, des éléments 5 d'obturation du puits fixés sur l'extrémité de la colonne au niveau du support flottant. Selon l'invention, la colonne comporte des éléments tubulaires raccordés les uns aux autres par des connecteurs déterminés pour résister à la pression interne du puits. Lesdits tubulaires comportent un corps tubulaire métallique fretté par des enroulements de fibres enrobées de matrice 10 polymère. La colonne comprend plusieurs tronçons, chaque tronçon étant constitué d'éléments de tubes dont la contrainte de frettage est déterminée en fonction de la profondeur à laquelle se trouve le tronçon et de la résistance mécanique dudit corps tubulaire. La contrainte de frettage peut être obtenue par l'enroulement sous 15 tension des fibres autour du corps tubulaire. La contrainte de frettage peut également être obtenue par déformation plastique du corps tubulaire fretté par l'enroulements des fibres. Selon l'invention, le corps tubulaire métallique peut être de même grade d'acier et de géométrie constante pour toute la colonne, et les différents 20 tronçons peuvent avoir des épaisseurs de frettage différentes en fonction de la contrainte de frettage déterminée. Selon une première variante de l'invention, l'épaisseur de frettage peut être la même pour toute la colonne, et les différents tronçons peuvent avoir des corps tubulaires métalliques de grade d'acier et/ou d'épaisseur différents. Selon une deuxième variante de l'invention, l'épaisseur de frettage, le grade d'acier etlou l'épaisseur peuvent être différents pour tous les tronçons constituant la colonne. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement un ensemble de forage en mer 10 selon l'art antérieur; - la figure 2 montre schématiquement le système de forage selon l'invention; - la figure 3 montre un diagramme des contraintes dans une colonne tubulaire selon l'invention. Sur la figure 1, il est représenté un support de forage flottant 1 maintenu par rapport au fond marin 2 par des moyens d'ancrage 3. Une première portion de forage 4 a été forée et tubée. La deuxième portion de forage approfondi 5 a été tubée par une colonne de casing 6 qui remonte 20 jusqu'à la surface au niveau du support flottant. En tête de colonne 7, l'installation de tête de puits comprend un ensemble d'obturateurs 8 (BOP) permettant, si nécessaire, de mettre en sécurité le puits, c'est-à- dire l'isoler, qu'il y ait ou non une garniture de forage 9 dans le trou. L'ensemble de cette colonne jouant le rôle de tube prolongateur ("riser") est suspendu à des moyens 4 2857690 de tensionnement schématisés par les flèches 10. Ainsi, les faibles déplacements verticaux (pilonnement) du support de forage ont peu d'impact sur les efforts que subit la colonne de riser. Cependant, les tubes assemblés pour constituer la colonne 6 ne sont pas aptes à résister aux fortes pressions de 5 gisement, ni à supporter les charges dynamiques générées par l'action de la houle et des mouvements horizontaux du support flottant (cavalement, embardée,...). D'autre part, si le temps de vissage des tubes est acceptable pour des tranches d'eau de l'ordre, ou inférieures à 1000 m, pour de plus grande profondeur, cela devient peu économique. La technique de la tête de puits aérienne est donc limitée en terme de performances mécaniques et ne peut pas répondre à un grand nombre d'applications. La figure 2 montre schématiquement une extension de la technique "tête de puits aérienne" pour une plus grande profondeur d'eau (par exemple pour 15 une profondeur d'eau supérieure à 1000 m ou 2000 m) et/ou une pression de gisement plus forte (par exemple nécessitant un ensemble de sécurité (BOP) d'au moins 300 bars, par exemple de 10000 psi de pression de service (690 bars)). Le support flottant 1 effectue le même programme de forage que sur la figure 1. La colonne de tubage intermédiaire 6 s'interrompt au niveau 20 du fond marin, et se prolonge, à l'aide d'un raccord adaptateur et/ou connecteur 11, par une colonne selon l'invention constituée d'un assemblage d'éléments de tubes 12 liés les uns aux autres par des connecteurs haute pression 13. Selon l'invention, on a mis en évidence qu'il était possible d'avoir une colonne montante respectant la sécurité du puits selon les règles de l'art, 2857690 et traversant des tranches d'eau de l'ordre de 3000 m. Pour cela, on utilise des éléments de tubes de résistance optimisée par un frettage en matériau composite composé de fibres enrobées de matrice polymère. Une technique de frettage de tubes peut être celle qui consiste à s enrouler sous tension des rubans en matériau composite autour d'un corps tubulaire en métal, décrite dans les documents FR-2828121, FR-2828262, US4514254. On peut également utiliser une technique connue sous le nom d'autofrettage qui consiste à créer la contrainte de frettage lors d'une épreuve 10 hydraulique du tube à une pression provoquant le dépassement de la limite élastique dans le corps métallique. En d'autres termes, on enroule des rubans en matériau composite autour du corps tubulaire en métal sans induire de contraintes dans le corps tubulaire en métal. Puis, on applique une pression déterminée à l'intérieur du corps en métal de sorte que le corps métallique se 15 déforme de manière plastique. Après retour à la pression nulle, il subsiste des contraintes résiduelles de compression dans le corps en métal et des contraintes de traction dans les rubans en matériau composite. La contrainte de frettage désigne les contraintes de compression dans le corps métallique, ces contraintes étant induites par les rubans en matériau 20 composite sous tension enroulés autour du corps tubulaire en métal. L'épaisseur de matériau composite enroulé autour du corps tubulaire en métal, de préférence en acier, est déterminée en fonction de la précontrainte de frettage nécessaire pour que le tube résiste, selon les règles de l'art aux efforts de pression et de tension. 6 - 2857690 La figure 3 donne, pour un exemple d'architecture de colonne, les contraintes (MPa en abscisse) en fonction de la profondeur (ordonnée en mètre). La colonne selon l'invention est constituée: - d'éléments de tubes de longueur 45 ft (13,7 m); - de connecteurs qualifiés pour supporter les charges axiales et circonférentielles générées par la pression maximale de 10000 psi (690 bars) à l'intérieur du riser; - d'un corps métallique de diamètre extérieur 16" (406,4 mm), lo d'épaisseur 11/16" (17,5 mm), fabriquée dans un acier de grade API C95 ayant une limite' élastique minimale (Rp02) de 95000 psi (655 MPa). La ligne 16 correspond à la moitié de la limite élastique Rpo,2, et la ligne au 2/3 de la limite élastique Rpo,2. D'après les règles de l'art, les contraintes de Von Mises doivent rester inférieures au 2/3 de la limite élastique Rpo,2. 15 La courbe 17 représente les contraintes axiales dans la colonne. La courbe 18 représente les contraintes radiales dans la colonne. La courbe 19 représente les contraintes circonférentielles dans la colonne. La courbe 20 représente les contraintes de Von Mises dans la colonne. Les références A, B et C désignent les trois tronçons d'éléments de tubes qui constituent la colonne de 3000 m de long. A partir d'un même corps tubulaires, les trois tronçons correspondent à des contraintes de frettages différentes en fonction de la profondeur. La tension d'enroulement des fibres de frettage est constante, seule l'épaisseur d'enroulement est en diminution 7 2857690 avec la profondeur: respectivement 10 mm 7,5 mm et 5 mm pour les tronçons A, B, C, dans l'exemple décrit. Selon l'invention, on peut également minimiser les contraintes, notamment celles de Von Mises, en conservant une épaisseur de frettage constante sur un corps tubulaire métallique dont l'épaisseur est variable en fonction de la profondeur à laquelle sont immergées les tronçons qui composent la colonne. On peut aussi modifier, pour chaque tronçon, l'épaisseur du corps métallique et l'épaisseur du composite afin de parvenir à un optimum de poids, ou de coût. 8 2857690 REVENDICATIONS 1) Système de forage en mer comprenant un support flottant, un puits foré dans le fond sous-marin, une colonne tubulaire prolongeant le puits s jusqu'au support flottant, des éléments d'obturation du puits fixés sur l'extrémité de la colonne au niveau du support flottant, caractérisé en ce que ladite colonne comporte des éléments tubulaires raccordés les uns aux autres par des connecteurs déterminés pour résister à la pression interne du puits, en ce que lesdits tubulaires comportent un corps tubulaire métallique fretté par 10 des enroulements de fibres enrobées de matrice polymère, et en ce que la colonne comprend plusieurs tronçons, chaque tronçon étant constitué d'éléments de tubes dont la contrainte de frettage est déterminée en fonction de la profondeur à laquelle se trouve le tronçon et de la résistance mécanique dudit corps tubulaire. 2) Système de forage selon la revendication 1, dans lequel la contrainte de frettage est obtenue par l'enroulement sous tension des fibres autour du corps tubulaire. 3) Système de forage selon la revendication 1, dans lequel la contrainte de frettage est obtenue par déformation plastique du corps tubulaire fretté par l'enroulements des fibres. 9 2857690 4) Système de forage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le corps tubulaire métallique est de même grade d'acier et de géométrie constante pour toute la colonne, et dans lequel les différents tronçons ont des épaisseurs de frettage différentes en fonction de la contrainte de frettage déterminée. 5) Système de forage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur de frettage est la même pour toute la colonne, et dans lequel les différents tronçons ont des corps tubulaires métalliques de grade d'acier et/ou d'épaisseur différents. 6) Système de forage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur de frettage, le grade d'acier et/ou l'épaisseur sont différents pour tous les tronçons constituant la colonne.