Brevet FR2928958A1 — publié le 20090925

La présente invention concerne le domaine du forage et de l'exploitation pétrolière de gisement situé en mer. Elle concerne une architecture spécifique de colonne montante. Une colonne montante de forage, couramment appelée "riser", est constituée par un ensemble d'éléments tubulaires, assemblés par des connecteurs. Les éléments tubulaires sont généralement constitués d'un tube principal muni de connecteur à chaque extrémité. Le tube principal est pourvu de conduites auxiliaires couramment nommées "kill line", "choke line", "booster lino" et "hydraulic line" qui permettent la circulation de fluide technique. Les éléments tubulaires sont assemblés sur le lieu de forage, à partir d'un support flottant. La colonne descend dans la tranche d'eau au fur et à mesure de l'assemblage des éléments tubulaires, jusqu'à atteindre la tête de puits située sur le fond marin. Les documents FR 2 432 672 et FR 2 866 942 proposent des connecteurs de type à baïonnette pour assembler les éléments tubulaires constituant une colonne montante. Au cours de l'utilisation d'une colonne montante munie de connecteurs à baïonnette, il peut apparaître des fuites de fluide (boue de forage, effluent pétrolier brut, eau, gaz....) au niveau des connecteurs situés en tête de la colonne. La présente invention propose une architecture de colonne montante constituée de tronçon de tubes assemblés par des connecteurs dépourvus de moyens pour exercer une précontrainte axiale et propose d'équiper les connecteurs situés en tête de la colonne montante avec des moyens pour exercer une précontrainte axiale afin d'éliminer les risques de fuites au niveau de ces connecteurs. La présente invention concerne un système de forage et d'exploitation d'un gisement pétrolier en mer, constitué d'une colonne montante comportant des tronçons de tubes raccordés bout à bout par des connecteurs pour établir une connexion entre une tête de puits sous- marine et un support flottant. Lesdits connecteurs comportent un élément tubulaire mâle et un élément tubulaire femelle s'emboîtant Fun dans l'autre, une bague de verrouillage montée mobile en rotation sur l'élément mâle, la bague comportant des tenons qui coopèrent avec les tenons de l'élément femelle pour former un assemblage à baïonnette. En outre, la colonne montante comporte des moyens de tension en appui sur le support flottant appliquant une tension verticale ascendante à la colonne montante en un point situé dans la partie supérieure de la colonne. La présente invention est caractérisé en ce que au moins un connecteur situé au- dessus du point d'application de la tension comporte des moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague et en ce que les connecteurs situés en-dessous du point d'application de la tension sont dépourvus de moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague. Selon l'invention, la bague peut être en appui d'une part sur un épaulement pratiqué sur l'élément mâle et d'autre part sur les tenons de l'élément femelle et les moyens pour exercer une précontrainte axiale peuvent comporter des coins en appui d'une part sur l'élément mâle et d'autre part sur l'élément femelle. Les coins peuvent être montés mobiles en translation sur la bague de verrouillage. Les coins peuvent être actionnés au moyen d'un système vis-écrou. Alternativement, les moyens pour exercer une précontrainte axiale peuvent comporter un anneau mobile en rotation autour de l'élément mâle, l'anneau prenant appui sur un épaulement pratiqué sur l'élément mâle et se raccordant à la bague par un filetage. Selon l'invention, l'élément femelle et la bague de verrouillage peuvent comporter chacun deux couronnes de tenons qui sont décalés angulairement d'une couronne à l'autre, en étant inscrits dans des surfaces cylindriques de rayons différents de sorte que, dans la position d'engagement de la bague et de l'élément femelle, les tenons puissent coulisser les uns sur les autres jusqu'à une position où les tenons de chaque couronne de la bague s'engagent entre les tenons d'une couronne correspondante de l'élément femelle pour constituer une pluralité d'assemblages à baïonnette à verrouillage simultané. Ledit point d'application de la tension peut être situé sur un élément comportant deux tubes télescopiques, un des tubes étant lié à un desdits connecteurs dépourvus de moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague et l'autre tube étant lié audit connecteur comportant des moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague. 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 une colonne montante, - la figure 2 représente un connecteur à baïonnette qui équipe la colonne montante, - la figure 3 représente en vue développée et en coupe longitudinale les détails des éléments d'un connecteur, les figures 4 et 5 représentent différents modes de réalisation d'un connecteur à baïonnette avec des moyens pour exercer une précontrainte axiale. La figure 1 schématise une colonne montante 1 installée en mer, destinée à forer un puits P pour exploiter le gisement G. La colonne montante 1 prolonge le puits P et s'étend selon la courbe AA' depuis la tête de puits 3 jusqu'au support flottant 2, par exemple une plateforme flottante, une barge ou un bateau. La tête de puits 3 est munie d'obturateurs couramment nommés "B.O.P." ou "Blow Out Preventer". La colonne montante 1 est constituée par l'assemblage de plusieurs tronçons de tubes 4 assemblés bout à bout par les connecteurs 5. Les connecteurs utilisés pour réaliser la colonne selon l'invention, sont du type connecteur à baïonnette par exemple décrit par les documents FR 2 432 672 et FR 2 866 942. Un exemple de réalisation d'un connecteur à baïonnette est décrit ci-après en référence à la figure 2. En référence à la figure 1, chaque tronçon peut être composé d'un élément de tube principal muni d'au moins un élément de conduite auxiliaire. Les conduites auxiliaires 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 au niveau clu pied de la colonne montante. La conduite dénommée "hydraulic line" permet de commander l'obturateur de la tête de puits. La tête de la colonne montante 1 est équipée d'un tronçon 6 à tubes télescopiques. Le tronçon 6 est composé d'un premier tube 6A assemblé a tronçon de tube inférieur par un connecteur 5 et d'un deuxième tube 6B assemblé au tronçon supérieur 7 par le connecteur 8. Le tube 6B est emmanché dans le tube 6A de façon à permettre au tube 6B de coulisser dans le tube 6A tout en maintenant étanche la liaison entre les deux tubes. Ainsi, grâce à l'emboîtement télescopique des tubes 6A et 6B, on peut faire varier la longueur du tronçon 6. La tête de la colonne montante peut comporter plusieurs tronçons 7 et connecteurs 8 au-dessus du système de tubes télescopiques 6A et 6B, en général entre un et trois connecteurs 8. La figure 1 représente une colonne montante 1 comportant deux tronçons 7 et deux connecteurs 8. La partie supérieure de la colonne 1 est connectée à une liaison rotule FJ, couramment appelée "flex joint" et à un obturateur DV, couramment nommé "Diverter". L'obturateur et la liaison rotule sont liés au plancher 9 du support flottant. Malgré les rnouvements de pilonnement, c'est-à-dire les mouvements verticaux induits par la houle maritime au support flottant 2, le tronçon télescopique 6 permet de maintenir l'obturateur et la liaison rotule au niveau du plancher 9 du support flottant. La colonne montante 1 est maintenue en tension entre la tête de puits :3 et le support flottant 2 par les moyens de tension 10. Les moyens 10 prennent appui sur le support flottant 2. Ils peuvent être constitués par des câbles 10 qui appliquent une tension verticale ascendante au tube 6A. Les moyens 10 permettent d'appliquer des efforts de tension axiale à la colonne 1 indépendamment du mouvement de pilonnement du support flottant 2. Les efforts de tension permettent de supporter le poids de la colonne 1 afin de la maintenir selon la courbe AA'. Les connecteurs 5 sont soumis à des efforts qui dépendent notamment du poids de la colonne montante 1 et des efforts de tension appliqués à la colonne 1 par les moyens 10. En conséquence, les connecteurs 5 soumis principalement à des efforts de tensions dont la direction verticale est sensiblement constante au cours du temps. Lors du service, les efforts de tension imposés aux connecteurs 5 sont suffisamment importants pour que les efforts de flexion ne provoquent pas le décollement des tenons du connecteur et permettent de préserver l'intégrité et l'étanchéité des connecteurs 5. Par contre, le ou les connecteurs 8 situés au dessus du point d'attache des câbles 10 à la colonne 1 subissent des moments de flexion qui sont suffisamment importants par rapport aux efforts de tension pour provoquer le décollement des tenons. En effet, les tronçons 7 assemblés par les connecteurs 8 font la jonction entre la partie inférieure de la colonne qui est maintenue en tension selon la courbe AA' et l'extrémité supérieure E de la colonne qui est liée au support flottant 2. Les efforts de flexion induits par les mouvements du support flottant 2 provoqués par la houle maritime sont variables et répétés aux cours d temps. En conséquence, les efforts de flexion répétés pourraient provoquer de l'usure qui pourrait dégrader l'étanchéité des connecteurs 8. La présente invention propose de rigidifier les connecteurs 8 en ajoutant auxdits connecteurs 8 des moyens pour exercer une précontrainte axiale auxdits connecteurs 8. Les efforts de tension appliqués aux connecteurs 8 ont pour but de limiter les effets des efforts de flexion et d'éliminer les risques de fuites au niveau de ces connecteurs. La figure 2 représente un exemple de réalisation des connecteurs 5 de la colonne 1. Un connecteur 5 est constitué d'un élément tubulaire mâle 11 qui est emboîté dans l'élément tubulaire femelle 13. L'élément tubulaire mâle 11 est solidaire du tube 12, par exemple par soudage ou par vissage, l'élément tubulaire femelle 13 est solidaire du tube 14, par exemple par soudage ou par vissage. Les tubes 12 et 14 constituent respectivement les tubes du tronçon supérieur et inférieur 4. Une portion de l'élément tubulaire mâle 11 pénètre dans l'élément tubulaire femelle 13. Cet emboîtement peut être limité par la butée axiale 15 (l'extrémité de l'élément femelle 13 venant en butée contre l'épaulement axial 15 pratiqué sur l'élément mâle 11). Le connecteur comporte une bague de verrouillage 16 entourant les extrémités des éléments mâle 11 et femelle 13. La bague 16 est montée mobile en rotation autour de l'élément tubulaire mâle 11. La bague est bloquée en translation par l'épaulement 17 pratiqué sur la surface extérieure de l'élément mâle 11. Lorsque l'élément mâle 11 est emboîté dans l'élément femelle 13, une partie de la bague 16 recouvre l'élément femelle 13 de manière à ce que les tenons de la bague 16 puissent coopérer avec les tenons de l'élément femelle 13. Le verrouillage et: le déverrouillage du connecteur sont réalisés par la rotation de la bague 16 (verrouillage du type à baïonnette). Le système de verrouillage à baïonnette est décrit plus en détail en référence aux figures 2 et 3. En référence à la figure 2, l'éllément femelle 13 et la bague 16 comportent respectivement deux couronnes de tenons ou ergots 13A et 13B, et 16A et 16B, permettant d'assurer le verrouillage axial du connecteur. Lets tenons s'étendent selon des directions radiales. Sur la figure 3, l'élément femelle 13 comporte, à la périphérie de sa surface extérieure, une première couronne 13A de quatre tenons 13A1, 13A2, 13A3 et 13A4 et une deuxième couronne 13B de quatre tenons 13B1, 13B2, 13B3 et 13B4. La bague 16 comporte, à la périphérie de sa surface intérieure, une première couronne 16A comportant quatre tenons 16A1, 16A2, 16A3 et 16A4 et une deuxième couronne 16B de quatre tenons 16B1, 16B2, 16B3 et 1684. Les tenons sont décalés angulairement d'une couronne à l'autre et inscrits dans des surfaces cylindriques de rayons différents. En référence à la figure 2, la première couronne 13A et la deuxième couronne 13B de l'élément femelle 13 sont respectivement inscrites dans les surfaces cylindriques R et r. La première couronne 16A et la deuxième couronne 16B de la bague 16 sont respectivement inscrites dans les surfaces cylindriques R' et r'. Le rayon R est légèrement inférieur au r' de manière à ce que les tenons de la deuxième couronne 1613 puissent coulisser et tourner librement à l'extérieur de la première couronne 13A. Les tenons de la première couronne 16A de la bague coopèrent avec les tenons 13A de la première couronne de l'élément femelle et les tenons de la deuxième couronne 16B de la bague coopèrent avec les tenons 13B de la deuxième couronne de l'élément femelle, pour former un assemblage à 1 o baïonnette. Plus précisément, lors de l'engagement de l'élément mâle 11 dans l'élément femelle 13, la bague 16 suit un mouvement de translation dans la direction de la courbe AA' selon les étapes successives : la deuxième couronne 16B de la bague passe à l'extérieur de la 15 première couronne 13A de l'élément femelle, puis - les tenons 16B s'engagent entre les tenons 1313 et simultanément les tenons 16A s'engagent entre les tenons 13A, puis lorsque l'élément mâle 11 arrive en butée contre l'élément femelle 13, les tenons 16B1, 16B2, 16B3 et 16B4 se logent dans la rainure 17 20 pratiquée dans l'élément femelle 13 sous les tenons de la deuxième couronne 13B et les tenons 16A1, 16A2, 16A3 et 16A4 se logent dans la rainure 18 pratiquée entre les tenons de la première couronne 13A et la deuxième couronne 13B. Lorsque la bague 16 est en position, on fait pivoter la bague 16 de 25 manière à ce que les tenons 16A de la bague soient positionnés face aux tenons 13A de l'élément femelle et que les tenons 16B de la bague soient positionnés face aux tenons 13B. Ainsi les tenons de la bague 16 sont en butée axiale par rapport aux tenons de l'élément femelle 13 et bloquent en 1:ranslation l'élément 13 par rapport à l'élément 11. Le fait que la bague soit d'une part en butée axiale au 30 niveau de l'épaulement 17 contre l'élément mâle 11 et d'aul:re part en butée axiale au niveau des tenons contre l'élément femelle 13, permet de réaliser un verrouillage complet de l'élément mâle 11 par rapport à l'élément femelle 13. Chacun des deux systèmes à baïonnette peut permettre d'assurer entre les tenons de l'élément femelle 13 et les tenons de la bague 16 un contact sur une plage angulaire totale qui peut atteindre 175°. De préférence, les deux systèmes d'assemblage étant angulairement décalés autour de l'axe du connecteur, le connecteur peut permettre de répartir les charges axiales sur environ 350° autour de l'axe. Alternativement, la bague 16 et l'élément 13 peuvent ne comporter 10 chacun qu'une seule couronne : les tenons de l'unique couronne de la bague 15 coopèrent avec les tenons de l'unique couronne de l'élément 13. Le nombre de tenons par couronne peut varier, notamment en fonctioi des diamètres du tube intérieur et des efforts à transmettre par le connecteur. 15 Les figures 4 et 5 décrivent différents modes de réalisation du connecteur 8 positionné en tête de la colonne montante. Le connecteur 8 est du même type que les connecteurs 5, c'est-à-dire des connecteurs à baïonnette tels que décrits en référence aux figures 2 et 3. Selon l'invention, le connecteur 8 comporte, en outre, des moyens pour exercer une précontrainte axiale. Les 20 références des figures 4 et 5 identiques à celle de la figure 3 désignent les mêmes éléments. En référence à la figure 4, les moyens pour exercer une précontrainte axiale consistent en des coins de blocage 20 montés de manière coulissante dans 25 des alésages radiaux 23 pratiqués dans la paroi de la bague 16. Les coins 20 peuvent être régulièrement répartis à la périphérie de la bague 16. On peut choisir le nombre de coins à mettre en oeuvre, notamment en fonction du diamètre des tubes. Les coins 20, qui comportent des surfaces inclinées 24, sont insérés dans 30 la rainure circonférentielle formée par la surface d'appui 25 de l'élément mâle 11 et la surface d'appui 26 de l'élément femelle 13. Les coins 20 sont manoeuvrés par un système de vis 21 û écrou 22. Le système de vis écrou 21-22 est monté solidaire de la bague 16. Les vis 21 permettent d'enfoncer les coins 20 entre les faces d'appui 25 et 26. Les vis 21 sont manoeuvrées lorsque le connecteur est verrouillé, c'est-à-dire lorsque la bague 16 bloque en translation l'élément mâle 11 par rapport à l'élément femelle 13. Lors de l'insertion du coin dans la rainure 23, les surfaces inclinées des coins 20 appuient sur les surfaces 25 et 26 de manière à écarter l'élément 11 de l'élément 13. La bague étant bloquée en translation entre l'épaulement 15 et les tenons 13A et 13B de l'élément 13, les coins induisent une contrainte de tension dans la bague 16. En référence à la figure 5, les moyens pour exercer une précontrainte axiale consistent en un anneau de serrage 30. L'anneau de serrage 30 est monté mobile en rotation autour de l'élément 15 mâle 11 et il est bloqué en translation par l'épaulement 31 pratiqué sur la surface extérieure de l'élément mâle 11. L'anneau 30 comporte un filetage 32 qui coopère avec un filetage 3:3 pratiqué sur la bague 16. La rotation de l'anneau 30 permet de visser l'anneau 30 dans la bague 16 de manière à faire coulisser axialement la bague 16. Une 20 clavette ou un pion amovible monté entre l'élément 11 et la bague 16 peut bloquer en rotation la bague 16. Le vissage de l'anneau 30 est effectué lorsque le connecteur est verrouillé, c'est-à-dire lorsque la bague 16 bloque en translation l'élément mâle 1'I par rapport à l'élément femelle 13. Lors du vissage, l'anneau 30 vient en butée et 25 prend appui d'une part sur l'épaulement 31 et d'autre part sur les tenons 13A et 13B de l'élément femelle 13. Ainsi, le serrage de l'anneau 30 permet d'introduire des contraintes de tension axiale dans la bague 16 qui est d'une part en butée contre les tenons de l'élément 13 et d'autre part tirée par la bague de serrage 30. 30 REVENDICATIONS 1) Système de forage et d'exploitation d'un gisement pétrolier en mer, comportant une colonne montante (1) comportant des tronçons de tubes (4) raccordés bout à bout par des connecteurs (5, 8) pour établir une connexion entre une tête de puits sous-marine (3) et un support flottant (2), lesdits connecteurs comportant un élément tubulaire mâle (11) et un élément tubulaire femelle (13) s'emboîtant l'un dans l'autre, une bague de verrouillage (16) montée mobile en rotation sur l'élément mâle (11), la bague (16) comportant des tenons qui coopèrent avec les tenons de l'élément femelle pour former un assemblage à baïonnette, des moyens de tension (10) en appui sur le support flottant appliquant une tension verticale ascendante à la colonne montante (1) en un point situé dans la partie supérieure de la colonne, caractérisé en ce que au moins un connecteur (8) situé au-dessus du point d'application de la tension comporte des moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague et en ce que les connecteurs (7) situés en-dessous du point d'application de la tension sont dépourvus de moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague. 2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague (16) est en appui d'une part sur un épaulement pratiqué sur l'élément mâle (11) et d'autre part sur les tenons de l'élément femelle (13) et en ce que les moyens pour exercer une précontrainte axiale comportent des coins (20) en appui d'une part sur l'élément mâle et d'autre part sur l'élément femelle. 3) Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les coins (20) sont montés mobiles en translation sur la bague de verrouillage (16). 4) Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les coins (20) sont actionnés au moyen d'un système vis-écrou (21, 22). 5) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour exercer une précontrainte axiale comportent un anneau (30) mobile en rotation autour de l'élément mâle (11), l'anneau (30) prenant appui sur un épaulement (31) pratiqué sur l'élément mâle (11) et se raccordant à la bague (16) par un filetage (32, 33). 6) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément femelle et la bague de verrouillage comportent chacun deux couronnes de tenons qui sont décalés angulairement d'une couronne à l'autre, en étant inscrits dans des surfaces cylindriques de rayons différents de sorte que, dans la position d'engagement de la bague et de l'élément femelle, les tenons puissent coulisser les uns sur les autres jusqu'à une position où les tenons de chaque couronne de la bague s'engagent entre les tenons d'une couronne correspondante de l'élément femelle pour constituer une pluralité d'assemblages à baïonnette à verrouillage simultané. 7) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit point d'application de la tension est situé sur un élément (6) comportant deux tubes télescopiques (6A, 6B), un des tubes (6A) étant lié à un desdits connecteurs (5) dépourvu de moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague (16) et l'autre tube (6B) étant lié audit connecteur (8) comportant des moyens pour exercer une précontrainte axiale sur ladite bague (16).