Brevet FR2891577A1 — publié le 20070406

La présente invention a trait au domaine du forage et de l'exploitation pétrolière en mer très profonde. Elle concerne un élément de colonne montante (couramment appelée "riser") comprenant au moins une conduite, ou ligne auxiliaire, intégrée au tube principal. 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 suspendues en mer peut être très important, ce qui impose des moyens de suspension de très forte capacité en 1 o 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 jeu 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 haute pression d'un effluent venant du puits ou de la surface ne peuvent pas participer à la résistance mécanique longitudinal 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 1 o conduite auxiliaire sont appliqués sur 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 subis par 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 un mode de réalisation particulier pour le montage des lignes auxiliaires au tube principal de manière à ce qu'une longueur de conduite auxiliaire participe, 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 sensiblement parallèle audit tube principal, et au moins deux moyens de fixation reliant les extrémités dudit élément au tube principal. Selon l'invention, les moyens de fixation permettent de transmettre des efforts longitudinaux dudit élément au tube principal et en ce que au moins un des moyens de fixation autorise au moins un mouvement de rotation dudit élément par rapport audit tube principal, le mouvement de rotation s'effectuant selon un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe du tube principal et par l'axe de l'élément de conduite auxiliaire. Selon l'invention, chacun des deux moyens de fixation peut autoriser au moins un mouvement de rotation de l'élément de conduite auxiliaire par rapport audit tube principal, le mouvement de rotation s'effectuant selon un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe du tube principal et par l'axe de l'élément de conduite auxiliaire. Un des moyens de fixation peut consister en une liaison rotule ou en une liaison pivot. Le moyen de fixation peut comporter une fourche solidaire du tube principal, la fourche comportant deux paliers, l'élément de conduite auxiliaire comportant deux arbres coaxiaux coopérant avec lesdits deux paliers. 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 ou en aramide, enrobés dans une matrice polymère. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels: - les figures 1 et 2 représentent un tronçon de ligne auxiliaire, - la figure 3 schématise en détail un tourillon. 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. 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. Les moyens de connexion femelle 5 et mâle 6 sont composés d'un connecteur mécanique monté sur les extrémités de l'élément 2 de tube principal, ainsi que de raccords montés aux extrémités des éléments 3 de ligne auxiliaire. Le connecteur mécanique transmet des efforts d'un tronçon de colonne montante au tronçon suivant, notamment les efforts de tension auxquels est soumise la colonne montante. Par contre, les raccords ne transmettent pas d'efforts longitudinaux. Par exemple, le connecteur mécanique peut 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 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. Les raccords permettent de connecter deux éléments 3 de ligne auxiliaire. Un raccord est composé d'un embout mâle situé à l'une des extrémités de l'élément 3 et d'un embout femelle situé à l'autre extrémité de l'élément 3. Un embout mâle d'un élément 3 coopère de façon étanche avec l'embout femelle d'un autre élément 3. Par exemple, l'élément mâle du raccord est un tube qui s'insère dans un autre tube composant l'élément femelle, la surface intérieure du tube femelle est ajustée à la surface extérieure du tube mâle. Des joints sont montés dans des rainures usinées sur la surface intérieure de l'élément femelle afin d'assurer l'étanchéité de la liaison. Le raccord autorise un déplacement axial d'un des éléments 3 par rapport à l'autre, tout en maintenant la liaison étanche entre les deux éléments. Selon l'invention, l'élément 3 de ligne auxiliaire est solidement lié à chacune de ses extrémités au tube principal 2. En d'autres termes, le tronçon de colonne montante 1 comporte à chacune de ses extrémités des moyens de fixation 7 et 8 qui permettent de lier axialement l'élément 3 de ligne auxiliaire au tube principal 2. Les moyens de fixation 7 et 8 permettent de transmettre des efforts longitudinaux du tube principal aux éléments 3. Ainsi, ces moyens de fixation 7 et 8 permettent de répartir les efforts de tension s'appliquant sur chacun des tronçons de la colonne montante, dans le tube principal et dans les éléments de ligne auxiliaire. Selon l'invention, au moins un des moyens de fixation 7 et 8 bloque en translation l'élément 3 de ligne auxiliaire par rapport au tube principal 2 et laisse au moins une liberté de mouvement en rotation. Les moyens de fixation 7 et 8 peuvent autoriser une rotation de l'élément 3 par rapport au tube 2 selon un axe perpendiculaire à l'axe 4 de la colonne montante, plus précisément selon un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe du tube principal et de la ligne auxiliaire. Du fait de la mobilité en rotation de l'élément 3 par rapport au tube 2, les moyens de fixation 7 ou 8 peuvent subir des déformations de flexion sans répercuter d'efforts de flexion dans les éléments de conduite auxiliaire 3. Par exemple, les moyens de fixation 7 et 8 peuvent consister en une liaison rotule. Cette liaison rotule autorise tout mouvement de rotation, mais bloque tout mouvement de translation de l'élément de ligne auxiliaire 3 par rapport au tube 2. Sur la figure 1, l'élément 3 est pourvu à chacune de ses extrémités des moyens de fixation 7 et 8 consistant en un tourillon qui autorise un mouvement de rotation de l'élément 3. En référence à la figure 3, le tourillon est composé, d'une part, d'une bague 10 munie de deux pivots 11, par exemple deux arbres coaxiaux, et, d'autre part, d'une fourche 12 percée de deux trous coaxiaux. La bague est montée solidement sur l'élément 3, par exemple par vissage, par pincement ou par soudage. La fourche 12 est montée solidement sur le tube principal 2, par exemple par vissage, par pincement ou par soudage. La fourche est positionnée à la périphérie du tube principal 2, les deux trous s'étendant selon un axe perpendiculaire à l'axe 4 du tube principal. Les deux arbres 11 s'engagent respectivement dans les trous de la fourche 12 qui servent de pallier support dans lesquels tournent les arbres. Ainsi, l'élément 3 peut pivoter par rapport au tube principal 2 selon l'axe des deux arbres de la bague. Par contre, les efforts de tension dirigés selon l'axe de la colonne montante sont transmis des moyens de connexion 5 ou 6 à l'élément 3 par l'intermédiaire de la fourche et des deux arbres de la bague. Ce type de montage permet de transmettre des efforts de tension du tube principal 2 à l'élément 3 pouvant dépasser 200 tonnes. La figure 2 représente un tronçon de colonne montante comportant deux types différents de moyens de fixation de l'élément 3 au tube principal 2: un moyen de fixation 7 rigide et un moyen de fixation 8 autorisant un mouvement de rotation. Le moyen de fixation 7 consiste en une fixation rigide formée par la bride 9 et une butée 10 pratiqué sur l'élément 3. Lorsque le tronçon de colonne montante est sous tension, la butée 10 entre en contact avec la bride 9 de sorte à former une liaison rigide. Le moyen de fixation 8 consiste en des tourillons tels précédemment décrits. Les moyens de fixation 7 et 8 montés aux deux extrémités de l'élément 3 bloquent en translation les extrémités de l'élément 3 sur le tube principal 2. Ainsi, lorsque la colonne montante est sous tension, par exemple 1 o sous l'effet du poids propre de la colonne ou sous l'action de tensionneur lors d'opération de forage, les efforts de tension supportés par un tronçon de colonne montante sont distribués dans le tube principal et dans chacun des éléments de ligne auxiliaire, au prorata des sections d'acier. De plus, selon l'invention, au moins un des moyens de fixation 7 et 8 montés aux deux extrémités de l'élément 3 autorise une rotation de l'élément 3 au niveau du point de fixation autour d'un axe perpendiculaire à l'axe 4 de la colonne montante. Ainsi, ces moyens de fixation peuvent supporter une déformation en flexion sans modifier la forme rectiligne des élément de conduite auxiliaire. En d'autres termes, les éléments 3 peuvent rester parallèles à l'axe du tube principal 2 alors que les pièces et appuis des moyens de fixation 7 et 8 fléchissent sous la charge engendrée par les efforts de tension dans la colonne montante. A titre d'exemple, une colonne montante selon l'invention peut 25 présenter les caractéristiques 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 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 5 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 tubulaire en métal, décrite dans les document FR 2 828 121, FR 2 828 262, US 4 514 254. 1 o Les rubans sont constitués de fibres, par exemple fibres de verre, de carbone ou d'aramide, les fibres étant enrobées dans une matrice polymère, 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 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 sensiblement parallèle audit tube principal (2), et au moins deux moyens de fixation (7, 8) reliant les extrémités dudit élément (3) au tube principal (2), caractérisé en ce que les moyens de fixation (7, 8) permettent de transmettre des efforts longitudinaux dudit 1 o élément (3) au tube principal (2) et en ce que au moins un des moyens de fixation (7, 8) autorise au moins un mouvement de rotation dudit élément (3) par rapport audit tube principal (2), le mouvement de rotation s'effectuant selon un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe (4) du tube principal et par l'axe de l'élément (3) de conduite auxiliaire. 2) Tronçon de colonne montante selon la revendication 1, dans lequel chacun des deux moyens de fixation (7, 8) autorisent au moins un mouvement de rotation de l'élément (3) de conduite auxiliaire par rapport audit tube principal (2), le mouvement de rotation s'effectuant selon un axe perpendiculaire au plan passant par l'axe (4) du tube principal et par l'axe de l'élément (3) de conduite auxiliaire. 3) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel au moins un des moyens de fixation (7, 8) consiste en une liaison 25 rotule. 4) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel au moins un des moyens de fixation (7, 8) consiste en une liaison pivot. 5) Tronçon de colonne montante selon la revendication 4, dans lequel le moyen de fixation (7, 8) comporte une fourche (12) solidaire du tube principal (2), la fourche comportant deux paliers, l'élément de conduite auxiliaire comportant deux arbres coaxiaux (11) coopérant avec lesdits deux paliers. 6) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le tube principal (2) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 7) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'élément de conduite auxiliaire (3) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 8) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel lesdits rubans composites comportent des fibres de verre, de carbone ou d'aramide, enrobés dans une matrice polymère.