Brevet FR2950650A1 — publié le 20110401

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 le pieds et la tête de la colonne montante. Une colonne montante de forage est constituée par un ensemble d'éléments tubulaires de longueur généralement comprise entre 15 et 25 m assemblés par des connecteurs. Le poids de ces colonnes supporté par une 10 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 15 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 20 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 25 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 (couramment appelé "joint" ou tronçon) 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 1 o 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 15 longueur de conduite auxiliaire sont transmis par ces moyens de fixation. Les impératifs de montage et de construction imposent une distance minimale entre l'axe du tube principal et l'axe de 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 20 moyens de fixation sont sujet à des déformations de flexion qui peuvent nuire au bon fonctionnement de la colonne montante, ou nécessiter des conceptions mécaniques pénalisantes. La présente invention propose une colonne montante construite selon 25 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. On connaît le document WO-2007/039688 qui décrit des moyens de raccordement entre les lignes auxiliaires selon le principe de connecteurs coaxiaux auxdites conduites auxiliaires, de types système de verrouillage à baïonnette, ou à écrou de vissage. Cependant, ces systèmes présentent notamment l'inconvénient d'un encombrement relativement important en diamètre qui s'ajoute au diamètre du connecteur de la conduite principale, compte tenu du fait que les éléments de résistance doivent être disposés concentriquement au passage du fluide. Ainsi, 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, les extrémités du tube principal comportant des moyens de connexion qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux, les extrémités de l'élément de conduite auxiliaire comportant des moyens de raccordement permettant de transmettre des efforts longitudinaux. Les moyens de raccordement comprennent au moins une broche et un alésage coopérant ensemble pour former un assemblage, et l'axe de la broche est parallèle à l'axe de la conduite auxiliaire et non confondu. Selon l'invention, le tronçon de colonne montante peux comporter deux flasques disposées à chacune des extrémités de l'élément de conduite auxiliaire, l'une des flasques portant lesdites broches, l'autre flasque portant lesdits alésages. Les flasques peuvent être en forme de couronne concentrique au tube 25 principal, en forme d'une portion de couronne, ou en forme de plaque rectangulaire. Les moyens de raccordement peuvent comporter deux broches disposées de part et d'autre de l'élément de conduite auxiliaire sur un cercle centré sur l'axe de la colonne. L'assemblage peut consister en un système de verrouillage à baïonnette, ou en un système de verrouillage par boulon. L'élément de conduite auxiliaire peut être lié audit tube principal par au moins une desdites flasques. Les moyens de connexion du tube principal peuvent consister en un système de verrouillage à baïonnette. Les broches des moyens de raccordement peuvent comporter un élément de verrouillage par rotation et un moyen de synchronisation, et dans lequel la rotation du moyen de synchronisation entraîne la rotation de l'élément de verrouillage. Alternativement, les moyens de connexion peuvent comporter un premier élément de verrouillage par rotation, dans lequel les broches des moyens de raccordement 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. Le tube principal peut être un tube en acier fretté par des rubans composites. L'élément de conduite auxiliaire peut être un tube en acier fretté par des rubans composites. Les rubans composites peuvent comporter des fibres de verre, de carbone ou d'aramide, enrobées dans une matrice polymère. Alternativement, l'élément de conduite auxiliaire peut être composé d'un matériau choisi dans la liste constituée d'un matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées dans une matrice polymère, un alliage d'aluminium, un alliage de titane. La présente invention décrit également une colonne montante comportant au moins deux tronçons de colonne montante selon l'invention, 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 par le moyen de flasques de maintien des extrémités de la conduite auxiliaire autour du tube principal dudit tronçon, lesdites flasques étant solidairement liées par des broches disposées parallèlement à ladite conduite auxiliaire. 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 équipée des moyens de raccordement selon l'invention, la figure 2 montre en coupe longitudinale les moyens de connexion 10 d'un tronçon de riser et les moyens de raccordement selon l'invention, la figure 3 schématise une colonne montante équipée des moyens de raccordements selon l'invention, la figure 4 représente en détail une broche et un alésage composant 15 un moyen de raccordement selon l'invention. 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 20 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 25 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 6 2 de manière à équilibrer le transfert de charge de la colonne. Les conduites dénommées "kill line" et "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 du fluide de forage à la base du riser. Une ou plusieurs conduites "hydraulic line" permettent de transmettre au fond de la mer la puissance hydraulique nécessaire pour commander l'ensemble des obturateurs couramment nommé "B.O.P. Stack", qui coiffe la tête de puits sous-marine. Les moyens de connexion femelle 5 et mâle 6 sont composés de 1 o plusieurs connecteurs : l'élément 2 de tube principal, ainsi que chacun des éléments 3 de ligne auxiliaire, sont chacun pourvus de moyens de connexion mécanique. Ces connecteurs mécaniques permettent de transmettre des efforts longitudinaux d'un élément à un autre. Par exemple, les connecteurs entre tronçons de tube principal peuvent être du type de ceux décrits dans les 15 documents FR 2 432 672, FR 2 464 426, FR 2 526 517 et FR 2 557 194. Un tel 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 20 montée mobile en rotation sur l'un ou l'autre des éléments tubulaires mâle et femelle. La bague comporte des tenons qui coopèrent avec des tenons solidaires de l'autre élément tubulaire pour former un assemblage à baïonnette. Les moyens de connexion seront plus détaillés à partir de la description de la figure 2. 25 Sur la figure 1, les lignes auxiliaires 3 sont positionnées autour du tube principal du riser 2 par des flasques d'extrémité 8 et 9. Ces flasques, ici représentées sous forme d'éléments en couronne concentriques aux moyens de connexion du tube principal, ont deux fonctions principales: - maintien et positionnement des lignes auxiliaires autour du tronçon et riser, et - assemblage mécanique des moyens de raccordement entre lignes auxiliaires de deux tronçons consécutifs, de façon à pouvoir transmettre les efforts longitudinaux d'un tronçon de ligne auxiliaire à une autre consécutive. Pour ce faire, les flasques portent des broches 14 sur une des flasques, lesdites broches coopèrent avec des alésages 15 portés par l'autre flasque du tronçon de riser. Les broches 14 et les alésages 15 portent des dentures sur un (ou plusieurs) secteur(s) angulaire(s) de façon que dans une position angulaire 1 o déterminée de la broche par rapport à l'alésage, la broche puisse pénétrer dans l'alésage par simple translation. Une fois en place, la broche effectue le verrouillage par rotation angulaire. On note que ce principe de verrou est similaire à celui du verrouillage de la connexion du tube principal. Selon l'invention, les flasques peuvent avoir différentes formes, par 15 exemple une couronne concentrique au moyen de connexion du tube principal, la couronne pouvant être sectionnée en plusieurs secteurs, une portion de couronne, une plaque de forme rectangulaire ou triangulaire. Le verrouillage peut être fait indépendamment d'une broche à une autre. De préférence, les broches 14 sont solidaires d'engrenages 16 qui 20 coopèrent avec une couronne d'engrenage liée à l'anneau de verrouillage de la connexion du tube principal. Ainsi, la rotation de verrouillage de l'anneau entraîne la rotation des broches. Alternativement, les engrenages 16 des broches 14 coopèrent avec une couronne d'engrenage indépendante de l'anneau de verrouillage de la connexion du tube principal. La rotation de la couronne 25 d'engrenage entraîne la rotation des broches de manière à effectuer simultanément le verrouillage des différentes broches. Sur la figure 1, sont représentées deux broches 14 parallèles à l'axe de la ligne auxiliaire 3, et disposées de part et d'autre des moyens de raccordement. La figure 4 représente en détail une broche 14 positionnée dans un orifice pratiqué dans la flasque 9. La broche 14 consiste en une tige munie de dents 14a et de creux 14b qui coopèrent avec les dents 15a et les creux 15b de l'alésage 15 pratiqué dans la flasque 8. Les dents 14a et 15a s'étendent selon des directions radiales à l'axe de la broche 14. Ainsi, une fois verrouillées, les efforts longitudinaux sur la ligne auxiliaire sont répartis équitablement dans le voisinage du raccord en transitant par les flasques. Alternativement les broches 14 peuvent être des vis qui coopèrent avec des écrous pour effectuer un assemblage des deux flasques 8 et 9 par boulon. La figure 1 montre également des moyens d'ajustage 17 de la longueur 1 o des lignes auxiliaires. La figure 2 montre en coupe longitudinale les moyens de connexion et de raccordement de deux tronçons la et lb formant une portion de colonne montante ("riser"). Les lignes auxiliaires 3a et 3b sont reliées par des 15 connecteurs à emboîtement longitudinal 18a (femelle) et 18b (male). Des garnitures de joint d'étanchéité rendent étanche cette connexion. Les flasques 8 et 9 maintiennent les extrémités des lignes auxiliaires et portent respectivement les alésages 15 et les broches 14 de solidarisation des lignes auxiliaires, par exemple les lignes 3a et 3b. Par exemple, comme 20 représenté sur la figure 2, les lignes auxiliaires 3a et 3b sont respectivement solidairement liées à la flasque 8 et 9 par les épaulements axiaux pratiqués dans les flasques 8 et 9. La flasque 8 est liée rigidement au tube principal, ou à un élément du connecteur du tube principal. La flasque 9 peut être mobile, dans la limite d'un 25 jeu déterminé, par rapport au tube principal selon la direction de l'axe 4. Ainsi, les lignes auxiliaires sont assemblées par les flasques et plusieurs broches, et transmettent les efforts longitudinaux d'une ligne auxiliaire à une autre. Un tel assemblage présente des avantages importants: - les moyens de raccordements des lignes auxiliaires n'étant pas concentriques aux lignes, leur encombrement diamétral est moindre. Ainsi, le diamètre hors tout du tronçon est diminué; - une telle conception de moyens de raccordement permet de répartir au mieux les efforts longitudinaux des lignes auxiliaires de manière circonférentielle; - l'usinage en dentures des broches et des alésages correspondants se faisant sur des pièces de taille plus petite par rapport à des raccords en extrémité des lignes, est moins coûteux. 10 La colonne montante schématisée par la figure 3 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 un connecteur 11, et au support flottant 12 par un autre connecteur 13. Les connecteurs 11 et 13 15 transmettent les efforts longitudinaux du support flottant à la colonne montante et de celle-ci à la tête de puits. 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 20 des lignes auxiliaires forme 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. 25 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 auxiliaires et le tube principal, notamment si les déformations entres les lignes et le tube principal ne sont pas égales, par 10 exemple en cas de variation de température 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 moyens de fixation. A titre d'exemple, une colonne montante selon l'invention peut présenter les caractéristiques suivantes : Diamètre du tube principal : 21" 1 o 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 15 à des profondeurs allant jusqu'à 3500 m et plus, on utilise des éléments 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 20 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, thermoplastique ou thermodurcissable, telle qu'un polyamide. 25 On peut également utiliser une technique connue sous le nom d'auto-frettage 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 11 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 1 o efforts de pression et de tension. Selon un autre mode de réalisation, les tubes 3 formant les conduites auxiliaires peuvent être composés d'un alliage d'aluminium. Par exemple, on peut employer les alliages d'aluminium référencés 1050 1100 2014 2024 3003 15 5052 6063 6082 5083 5086 6061 6013 7050 7075 7055 par l'ASTM (American Standard for Testing and Material) ou les alliages d'aluminium commercialisés sous les références C405 CU31 C555 CU92 C805 C855 C7011 par la société ALCOA. Alternativement, les tubes 3 formant les conduites auxiliaires peuvent 20 être composés en matériau composite constitué de fibres enrobés dans une matrice polymère. Les fibres peuvent être des fibres de carbone, de verre, d'aramide. La matrice polymère peut être en matériau thermoplastique tel que le polyéthylène, le polyamide (notamment le PA11, le PA6, le PA6-6 ou le PAl2), le polyétheréthercétone (PEEK), ou le polyfluorure de vinylidène 25 (PVDF). La matrice polymère peut également être en matériau thermodurcissable tel que les époxys. Alternativement, les tubes 3 formant les conduites auxiliaires peuvent être composés d'un alliage de titane. Par exemple, on peut utiliser un alliage de titane Ti-6-4 (alliage comportant, en pourcent du poids, au moins 85% de titane, environ 6% d'aluminium et 4% de vanadium) ou l'alliage Ti-6-6-2 comportant en, pourcent du poids, environ 6% d'aluminium, 6% de vanadium et 2% d'étain et au moins 80% de titane. REVENDICATIONS1) Tronçon de colonne montante comportant un tube principal (2), au moins un élément (3) de conduite auxiliaire disposé sensiblement parallèlement audit tube (2), les extrémités du tube principal (2) comportant des moyens de connexion qui permettent de transmettre des efforts longitudinaux, les extrémités de l'élément (3) de conduite auxiliaire 1 o comportant des moyens de raccordement permettant de transmettre des efforts longitudinaux, caractérisée en ce que les moyens de raccordement comprennent au moins une broche (14) et un alésage (15) coopérant ensemble pour former un assemblage, et en ce que l'axe de la broche (14) est parallèle à l'axe de la conduite auxiliaire et non confondu. 15 2) Tronçon selon la revendication 1, comportant deux flasques disposées à chacune des extrémités de l'élément (3) de conduite auxiliaire, et dans lequel une des flasques porte lesdites broches, l'autre flasque portant lesdits alésages. 20 3) Tronçon selon la revendication 2, dans lequel les flasques sont en forme de couronne concentrique au tube principal, en forme d'une portion de couronne, ou en forme de plaque rectangulaire. 4) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 3, dans 25 lequel les moyens de raccordement comportent deux broches disposées de part et d'autre de l'élément (3) de conduite auxiliaire sur un cercle centré sur l'axe de la colonne. 5) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'assemblage consiste en un système de verrouillage à baïonnette, ou en un système de verrouillage par boulon. 6) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel l'élément (3) de conduite auxiliaire est lié audit tube principal par au moins une desdites flasques. 7) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de 10 connexion du tube principal consistent en un système de verrouillage à baïonnette. 8) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les broches des moyens de raccordement comportent un élément de verrouillage par 15 rotation et un moyen de synchronisation, et dans lequel la rotation du moyen de synchronisation entraîne la rotation de l'élément de verrouillage. 9) Tronçon selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les moyens de connexion comportent un premier élément de verrouillage par rotation, dans 20 lequel les broches des moyens de raccordement 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. 25 10) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le tube principal (2) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 11) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'élément de conduite auxiliaire (3) est un tube en acier fretté par des rubans composites. 12) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 10 et 11, dans lequel lesdits rubans composites comportent des fibres de verre, de carbone ou d'aramide, enrobées dans une matrice polymère. 13) Tronçon de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'élément de conduite auxiliaire (3) est composé d'un matériau choisi dans la liste constituée d'un matériau composite comportant des fibres de renfort enrobées dans une matrice polymère, un alliage d'aluminium, un alliage de titane. 14) Colonne montante comportant au moins deux tronçons (1) de colonne montante selon l'une des revendications 1 à 13, 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 par le moyen de flasques de maintien des extrémités de la conduite auxiliaire autour du tube principal dudit tronçon, lesdites flasques étant solidairement liées par des broches disposées parallèlement à ladite conduite auxiliaire.