Brevet FR2891578A1 — 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, 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 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 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 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 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, la présente invention concerne un tronçon de colonne montante comportant un tube principal, au moins un élément de conduite auxiliaire disposé sensiblement parallèlement audit tube, un connecteur mécanique comprenant une bague mobile en rotation pour verrouillage, une extrémité de l'élément de conduite auxiliaire liée solidairement par un premier moyen de fixation audit tube. Selon l'invention, l'autre extrémité de l'élément de conduite auxiliaire est liée à ladite bague par un deuxième moyen de fixation adapté à transmettre des efforts longitudinaux. Selon l'invention, le deuxième moyen de fixation peut comporter une plaque annulaire en butée longitudinale autour de la bague. De plus, le deuxième moyen de fixation peut comporter une plaque munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément de conduite auxiliaire est monté en butée longitudinale. La bague peut être en butée longitudinale sur le connecteur. Le premier moyen de fixation peut comporter une bride munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément de conduite auxiliaire est monté, la bride étant solidaire du tube. Le tronçon selon l'invention peut comporter une plaque d'indexation munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément de conduite auxiliaire est monté, ladite plaque d'indexation étant solidaire du tube. 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, enrobées 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: la figure 1 représente un tronçon de colonne montante, - la figure 2 représente en détail une extrémité de la 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. Les conduites dénommées "kill line" ou "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 dénommée "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 soumis 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 9 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 1 o 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 solidairement liées 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 poids s'appliquant sur chacun des tronçons de la colonne montante, entre le tube principal et les éléments de ligne auxiliaire. Par exemple au niveau de l'extrémité du tronçon 1 muni des moyens de connexion femelle 5, le tube principal 2 est muni d'une bride 10 comportant un passage cylindrique dans lequel l'élément de ligne auxiliaire 3 peut coulisser. L'élément auxiliaire 3 comporte une butée, par exemple un écrou, pour positionner axialement l'élément 3 par rapport au tube principal 2. Lors du montage de l'élément 3 sur le tube principal 2, la butée entre en contact avec la face inférieure de la bride de sorte à former une liaison rigide. En référence à la figure 2, au niveau de l'extrémité du tronçon 1 muni des moyens de connexion mâle 6, la bague du connecteur est munie d'une bride ou plaque 11 comportant un passage cylindrique dans lequel l'élément de ligne auxiliaire 3 peut coulisser. La bride 11 est mobile en rotation autour de la bague 9, c'est-à-dire que la bague 9 peut pivoter autour de l'axe 4 de la colonne indépendamment des mouvements de la bride 11. La bride 11 est montée sur la bague 9 en butée contre l'épaulement 14 pratiqué sur la surface extérieure de la bague. L'élément auxiliaire 3 comporte une butée 12, par exemple un écrou vissé sur l'extérieur de l'élément 3. Une plaque 13 est montée sur le tube principal. Par exemple, la plaque 13 est montée dans une rainure 15 pratiquée sur la surface extérieure du tube principal. La plaque 13 peut être indexée, c'est-àdire positionnée et bloquée, en rotation par rapport au tube principal 2 au moyen d'une clavette disposée longitudinalement sur le tube principal 2. La plaque 13 solidaire du tube principal 2 comporte également des passages cylindriques dans lesquels les éléments de ligne auxiliaire 3 peuvent coulisser. La plaque 13 permet de positionner les extrémités de l'élément 3 par rapport à l'extrémité du tube 2 au niveau des moyens de connexion mâle 6. Par ailleurs, la bague 9 est montée en butée contre l'épaulement 16 pratiqué sur la surface extérieur du tube principal 2. Pour assembler un élément 3 au tube principal 2, on monte l'élément 3 dans un orifice de la bride 10, dans un orifice de la plaque 13, et dans un orifice de la plaque 11 jusqu'à ce que l'élément 3 vienne en butée contre la bride 10. Ensuite, on visse l'écrou 12 sur l'élément 3 sans effectuer de serrage sur la bride 11. Ainsi, l'élément 3 est positionné longitudinalement, d'un coté, par rapport à la bride 10 et, de l'autre coté, par rapport à la bride 11. Néanmoins, la bague 9 reste mobile en rotation autour du tube principal 2 dans le jeu déterminé entre les vis 17 de la plaque 13 et l'épaulement 16 pratiqué sur la surface extérieure du tube principal 2. Pour assembler un tronçon de colonne montante 1 à un autre tronçon de colonne montante, on introduit la partie mâle du connecteur 6 d'un tronçon dans la partie femelle 5 de l'autre tronçon. Puis, on fait pivoter la bague 9 autour de l'axe 4 de manière à verrouiller le montage à baïonnette, c'est-à-dire que les tenons de la bague 9 sont positionnés en face des tenons de la partie femelle du connecteur. Lorsque le tronçon 1 est mis sous tension, l'extrémité de l'élément 3 située au niveau du moyen de fixation 7 vient en butée contre la 1 o bride 10, la surface inférieure de la bride 11 vient en butée contre l'épaulement 14 de la bague 9 et la bague 9 appuie contre l'épaulement 16 du tube 2. Ainsi, lorsque la colonne montante est sous tension, par exemple sous l'effet du poids propre de la colonne ou sous l'action de tensionneur lors d'opérations de forage, les efforts de tension supportés par un tronçon de colonne montante sont distribués dans le tube principal 2, et dans chacun des éléments de lignes auxiliaires, au prorata des section d'acier. Plus précisément, les efforts sont distribués entre les différents tubes par les moyens de fixation 7 et 8. Au niveau des moyens de fixation 8, la tension dans l'élément 3 est transmise à la bague 9 par l'intermédiaire de la bride 11. Les efforts de tension dans la bague 9 sont directement transmis à l'élément femelle du connecteur du tronçon de colonne montante suivant par l'intermédiaire des tenons du connecteur mécanique. En d'autre termes, les efforts longitudinaux sont transmis de la partie femelle du connecteur à la bague 9 par l'intermédiaires des tenons. La bague 9 distribue les efforts longitudinaux entre les éléments 3 et le tube principal. Une partie de ces efforts est transmise de la bague 9 aux éléments 3 par l'intermédiaire de la bride 11. L'autre partie de ces efforts est transmise au tube principal par l'intermédiaire de l'épaulement 16 du tube 2 sur lequel la bague 9 prend appui. Compte tenu des dimensions radiales de la bague 9 et de la dimension réduite 2891578 8 de la plaque annulaire 11, la plaque 11 travail en compression, et non en flexion, entre la bague 12 et la butée 14. A titre d'exemple, une colonne montante selon l'invention peut 5 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 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. Les rubans sont constitués de fibres, par exemple fibres de verre, de 20 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 disposé sensiblement parallèlement audit tube (2), un connecteur mécanique (5, 6) comprenant une bague (9) mobile en rotation pour verrouillage, une extrémité de l'élément (3) de conduite auxiliaire étant liée solidairement par un premier moyen de 1 o fixation (7) audit tube, caractérisé en ce que l'autre extrémité de l'élément (3) de conduite auxiliaire est liée à ladite bague (9) par un deuxième moyen de fixation (8) adapté à transmettre des efforts longitudinaux. 2) Tronçon selon la revendication 1, dans lequel le deuxième moyen de 15 fixation (8) comporte une plaque annulaire en butée longitudinale autour de la bague. 3) Tronçon selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le deuxième moyen de fixation (8) comporte une plaque (11) munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire est monté en butée longitudinale. 4) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la bague (9) est en butée longitudinale sur le connecteur (5, 6). 5) Tronçon selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le premier moyen de fixation (7) comporte une bride (10) munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire est monté, la bride étant solidaire du tube (2). 6) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 5, comportant une plaque d'indexation (13) munie d'au moins un orifice dans lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire est monté, ladite plaque d'indexation (13) étant solidaire du tube (2). 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 lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire 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 sont en fibres de verre, de carbone ou d'aramide, enrobées dans une matrice polymère.