Brevet FR2891579A1 — publié le 20070406

La présente invention a trait au domaine du forage et de l'exploitation pétrolière de gisement en mer très profonde. Elle concerne un élément de colonne montante (couramment appelée "riser") comprenant au moins une conduite, ou ligne auxiliaire rigide, c'est-à-dire qui puisse transmettre des efforts de tension entre les pieds et la tête de la colonne montante. Une colonne montante de forage est constituée par un ensemble d'éléments tubulaires de longueur comprise entre 15 et 25 m assemblés par des connecteurs. Le poids de ces colonnes supporté par une plateforme en mer peut être très important, ce qui impose des moyens de suspension de très forte capacité en surface et des dimensions adaptées pour le tube principal et les raccords de liaison. Jusqu'à présent, les lignes auxiliaires: "kill line", "choke line", "booster line" et "hydraulic line" sont disposées autour du tube principal et comportent des raccords emboîtables fixés sur les connecteurs des éléments de riser d'une manière telle que ces lignes haute pression peuvent admettre un déplacement relatif longitudinal entre deux éléments de lignes successifs, toutefois sans possibilité de déboîtement. Du fait de ce montage coulissant d'un élément dans l'autre, les lignes destinées à permettre la circulation à haute pression d'un effluent venant du puits ou de la surface ne peuvent pas participer à la résistance mécanique longitudinale de la structure constituée par l'ensemble de la colonne montante. Or, dans l'optique de forer à des profondeurs d'eau pouvant atteindre 3500 m ou plus, le poids mort des lignes auxiliaires devient très pénalisant. Ce phénomène est aggravé par le fait que pour une même pression maximale de service, la longueur de ces lignes impose un diamètre intérieur plus grand compte tenu de la nécessité de limiter les pertes de charge. Le document FR 2 799 789 propose de faire participer les lignes auxiliaires "kill line", "choke line", "booster line" ou "hydraulic line" à la résistance mécanique longitudinale de la colonne montante. Selon ce document, un élément de colonne montante comporte un tube principal, des moyens de connexion à ses deux extrémités, au moins une longueur de conduite auxiliaire disposée sensiblement parallèlement au tube principal. La longueur de conduite auxiliaire est solidaire par ses deux extrémités aux moyens de connexion du tube principal de manière à ce que les efforts mécaniques longitudinaux auxquels sont soumis les moyens de connexion se répartissent dans le tube et dans la conduite. Une difficulté de réalisation de la colonne montante selon le document FR 2 799 789 se situe au niveau des moyens de fixation de la longueur de conduite auxiliaire sur le tube principal. Les efforts de tension supportés par la longueur de conduite auxiliaire sont transmis par ces moyens de fixation. Les impératifs de montage et de construction imposent de laisser une distance entre le tube principal et la conduite auxiliaire. Cette distance joue le rôle d'un bras de levier pour les efforts de tension transmis à la conduite auxiliaire. Du fait des efforts de tension associés au bras de levier, les moyens de fixation sont sujet à des déformations de flexion qui peuvent nuire au bon fonctionnement de la colonne montante. La présente invention propose une colonne montante construite selon un principe alternatif à celui divulgué par le document FR 2 799 789. Selon la présente invention les lignes auxiliaires dans leur ensemble participent, conjointement avec le tube principal, à la reprise des efforts longitudinaux appliqués à la colonne montante. De manière générale, l'invention concerne un tronçon de colonne montante comportant un tube principal, au moins un élément de conduite auxiliaire disposé sensiblement parallèlement audit tube, caractérisé en ce que les extrémités du tube principal comportent des moyens de connexion qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux et en ce que les extrémités de l'élément de conduite auxiliaire comporte des moyens de raccordement qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux. Selon l'invention l'élément de conduite auxiliaire peut être lié solidairement au tube principal. Les moyens de connexion peuvent consister en un système de verrouillage à baïonnette. Les moyens de raccordement peuvent être choisis parmi le groupe constitué par un système de verrouillage à baïonnette, un système de vissage. Les moyens de connexion peuvent comporter un premier élément de verrouillage par rotation, dans lequel les moyens de raccordement peuvent comporter un deuxième élément de verrouillage par rotation, et dans lequel la rotation du premier élément de verrouillage peut entraîner la rotation du deuxième élément de verrouillage. Le système de verrouillage à baïonnette peut comporter un élément tubulaire mâle et un élément tubulaire femelle s'emboîtant l'un dans l'autre et ayant un épaulement axial pour positionner longitudinalement l'élément tubulaire mâle par rapport à l'élément femelle, une bague de verrouillage montée mobile en rotation sur l'un des éléments tubulaires, la bague comportant des tenons qui coopèrent avec les tenons de l'autre élément tubulaire pour former un assemblage à baïonnette. Selon l'invention, le tube principal peut être un tube en acier fretté par des rubans composites de renfort. L'élément de conduite auxiliaire peut être un tube en acier fretté par des rubans composites de renfort. Les rubans composites de renfort peuvent être en fibres de verre, de carbone, d'aramide, enrobées dans une matrice polymère. L'invention concerne également une colonne montante comportant au moins deux tronçons de colonne montante, tels que décrits précédemment, assemblés bout à bout, dans laquelle un élément de conduite auxiliaire d'un tronçon transmet des efforts longitudinaux à l'élément de conduite auxiliaire de l'autre tronçon auquel il est assemblé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux 5 compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels: - la figure 1 représente un tronçon de colonne montante, la figure 2 schématise une colonne montante. La figure 1 représente un tronçon 1 d'une colonne montante ou "riser". Le tronçon 1 est muni, à une de ses extrémités, de moyens de connexion femelle 5 et, à l'autre extrémité, de moyens de connexion mâle 6. Pour former une colonne montante, on assemble bout à bout plusieurs tronçons 1 grâce aux moyens de connexion 5 et 6. Le tronçon de colonne montante 1 comporte un élément de tube principal 2 dont l'axe 4 constitue l'axe de la colonne montante. Les lignes ou conduites auxiliaires, sont disposées parallèlement à l'axe 4 de la colonne de façon à être intégrées au tube principal. Les références 3 désignent les éléments unitaires des lignes auxiliaires. Les éléments 3 ont des longueurs sensiblement égales à la longueur de l'élément de tube principal 2. Il y a au moins une ligne 3 disposée à la périphérie du tube principal 2. Il est souhaitable de disposer d'une répartition symétrique des lignes autour du tube 2 de manière à équilibrer le transfert de charge de la colonne. Ces conduites dénommées "kill line", "choke line", sont utilisées pour assurer la sécurité du puits pendant le déroulement des procédures de contrôle des venues de fluides sous pression dans le puits. La conduite "booster line" permet d'injecter de la boue. La conduite "hydraulic line " permet de commander l'obturateur couramment nommé "B.O.P." en tête de puits. Selon l'invention, les moyens de connexion femelle 5 et mâle 6 sont composés de plusieurs connecteurs: l'élément 2 de tube principal, ainsi que chacun des éléments 3 de ligne auxiliaire sont chacun pourvus d'un connecteur mécanique. Ces connecteurs mécaniques permettent de transmettre des efforts longitudinaux d'un élément à un autre. Par exemple, les connecteurs peuvent être du type de ceux décrits dans les documents FR 2 432 672, FR 2 464 426 et FR 2 526 517. Ces connecteurs permettent d'assembler deux tronçons de tube. Un connecteur comporte un élément tubulaire mâle et un élément tubulaire femelle s'emboîtant l'un dans l'autre et ayant un épaulement axial pour 1 o positionner longitudinalement l'élément tubulaire mâle par rapport à l'élément femelle. Le connecteur comporte en outre une bague de verrouillage montée mobile en rotation sur l'un des éléments tubulaires. La bague comporte des tenons qui coopèrent avec les tenons de l'autre élément tubulaire pour former un assemblage à baïonnette. Alternativement, les connecteurs mécaniques des éléments de ligne auxiliaire 3 peuvent également être des assemblages classiques par vissage et boulonnage. Ces connecteurs peuvent également être des connecteurs "à chien", c'est-à-dire à l'aide de verrous radiaux. Pour simplifier l'assemblage des tronçons 1 de la colonne montante, les moyens de connexion 6 sont pourvus d'un système de verrouillage qui permet de verrouiller les différents connecteurs par l'actionnement d'une seule pièce. D'une part, la périphérie de la bague de verrouillage du connecteur du tube principal 2 est munie d'une couronne dentée. D'autre part, les bagues de verrouillage de chacun des connecteurs des éléments 3 de ligne auxiliaire sont munis de secteur denté qui coopèrent avec la couronne dentée du connecteur du tube principal 2. Ainsi, lorsque l'on fait tourner la bague du connecteur du tube principal autour de l'axe 4, la couronne dentée engraine chacun des secteurs dentés et, donc, provoque la rotation de chacune des bagues des connecteurs des éléments 3 de lignes auxiliaires. Ce système de verrouillage simultané du connecteur du tube 2 avec les connecteurs des éléments 3 peut être appliqué à tout type de connecteur qui met en oeuvre un verrouillage par rotation. De plus, l'élément 3 de ligne auxiliaire est solidairement lié au tube principal 2. En d'autres termes, le tronçon de colonne montante 1 comporte un moyen de fixation 7 qui permet de fixer mécaniquement l'élément 3 de ligne auxiliaire au tube principal 2. Le moyen de fixation 7 positionne et solidarise l'élément 3 sur le tube 2. Par exemple, le moyen de fixation 7 est situé au niveau de l'extrémité du tronçon 1 munie des moyens de connexion femelle 5. Par exemple, le tube principal 2 comporte une couronne 20 en saillie et l'élément de ligne auxiliaire 3 comporte un appendice 21 muni d'une rainure. L'élément 3 est monté sur le tube 2 de manière à ce que la couronne 20 en saillie se loge dans la rainure. Des vis passant au travers de l'appendice 21 et de la couronne en saillie solidarisent l'élément 3 au tube 2. Les éléments 3 peuvent être guidés, par exemple, au niveau de l'extrémité munie des moyens de connexion mâle 6, par les moyens de guidage 8. Le tube principal 2 est muni d'une bride comportant un passage cylindrique dans lequel l'élément de ligne auxiliaire 3 peut coulisser. Ce passage cylindrique permet de guider les éléments 3. La colonne montante schématisée par la figure 2 comporte un tube principal 2 et des lignes auxiliaires 3. Le tube principal, ainsi que chacune des lignes auxiliaires 3 sont connectés à la tête de puits 10 par les connecteurs 11 et au support flottant 12 par les connecteurs 13, les connecteurs 11 et 13 transmettant les efforts longitudinaux de la colonne montante à la tête de puits et au support flottant. Ainsi, les tronçons 1 permettent de réaliser une colonne montante pour laquelle le tube principal forme un assemblage mécaniquement rigide qui supporte les efforts longitudinaux entre la tête de puits 10 et le support flottant 12. De plus, selon l'invention, chacune des lignes auxiliaires forment séparément un assemblage mécaniquement rigide qui supporte également les efforts longitudinaux entre la tête de puits 10 et le support flottant 12. Par conséquent, les efforts longitudinaux appliqués à la colonne montante sont répartis entre le tube principal 2 et les différentes lignes auxiliaires 3. En outre, au niveau du tronçon 1, chacun des éléments 3 de lignes auxiliaires est fixé solidairement au tube principal par les moyens de fixation 7. Ces moyens de fixation 7 sont adaptés à répartir ou à équilibrer les efforts entre les différentes lignes auxiliaire et le tube principal, notamment si les déformations entres les lignes et le tube principal ne sont pas égales, par exemple en cas de variation de pression entre les différentes lignes. Ainsi, les efforts, et notamment la tension, supportés par la colonne montante sont distribués entre les lignes auxiliaires et le tube principal sur toute la hauteur de la colonne, grâce à la multiplication sur la hauteur desdits moyen de fixation. A titre d'exemple, une colonne montante selon l'invention peut présenter les caractéristique suivantes: Diamètre du tube principal: 21" Diamètre des lignes auxiliaires: 6" Pression de service: 1050 bars Efforts de tension exercés sur la colonne montante: 1000 tonnes En outre, pour pouvoir réaliser des colonnes montantes pouvant opérer 25 à des profondeurs allant jusqu'à 3500 m et plus, on utilise des élément de tubes métalliques 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 enrouler sous tension des rubans en matériau composite autour d'un corps 2891579 8 tubulaire en métal, décrite dans les document FR 2 828 121, FR 2 828 262, US 4 514 254. Les rubans sont constitués de fibres, par exemple fibres de verre, de carbone ou d'aramide, les fibres étant enrobées dans une matrice polymère, 5 thermoplastique ou thermodurcissable, telle qu'un polyamide. On peut également utiliser une technique connue sous le nom d'autofrettage qui consiste à créer la contrainte de frettage lors d'une épreuve 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 1 o en matériau composite autour du corps tubulaire en métal. Lors de l'opération d'enroulement, les rubans n'induisent pas de contrainte ou n'induisent qu'une très faible contrainte dans le tube métallique. Puis, on applique une pression déterminée à l'intérieur du corps en métal de sorte que le corps métallique se 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. 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. REVENDICATIONS 1) Tronçon de colonne montante comportant un tube principal (2), au moins un élément (3) de conduite auxiliaire disposé sensiblement parallèlement audit tube (2), caractérisé en ce que les extrémités du tube principal (2) comportent des moyens de connexion (8) qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux et en ce que les extrémités de l'élément (3) de conduite auxiliaire comportent des moyens de raccordement (5, 6) qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux. 2) Tronçon selon la revendication 1, dans lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire est lié solidairement au tube principal (2). 3) Tronçon selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens de connexion (8) consistent en un système de verrouillage à baïonnette. 4) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de 20 raccordement (5, 6) sont choisis parmi le groupe constitué par un système de verrouillage à baïonnette, un système de vissage. 5) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les moyens de connexion (8) comportent un premier élément de verrouillage par rotation, dans lequel les moyens de raccordement (5, 6) comportent un deuxième élément de verrouillage par rotation, et dans lequel la rotation du premier élément de verrouillage entraîne la rotation du deuxième élément de verrouillage. 6) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel le système de verrouillage à baïonnette comporte un élément tubulaire mâle et un élément tubulaire femelle s'emboîtant l'un dans l'autre et ayant un épaulement axial pour positionner longitudinalement l'élément tubulaire mâle par rapport à l'élément femelle, une bague de verrouillage montée mobile en rotation sur l'un des éléments tubulaires, la bague comportant des tenons qui coopèrent avec les tenons de l'autre élément tubulaire pour former un assemblage à baïonnette. 7) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le tube principal (2) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 8) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 7, dans 15 lequel l'élément de conduite auxiliaire (3) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 9) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 7 et 8, dans lequel lesdits rubans composites comportent des fibres de verre, de 20 carbone ou d'aramide, enrobées dans une matrice polymère. 10) Colonne montante comportant au moins deux tronçons (1) de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 9, assemblés bout à bout, dans laquelle un élément (3) de conduite auxiliaire d'un tronçon transmet des efforts longitudinaux à l'élément (3) de conduite auxiliaire de l'autre tronçon auquel il est assemblé.