Brevet FR2976015A1 — publié le 20121207

COMPOSANT TUBULAIRE POUR L'EXPLORATION D'UN PUITS D'HYDROCARBURES [001] L'invention a pour objet des composants tubulaires utilisés pour le forage ou l'exploitation de gisements pétroliers ou gaziers. L'invention s'applique notamment aux composants utilisés dans des garnitures de forage de puits en mer (offshores), ou bien aux composants utilisés dans des colonnes pour la dépose de tubes de cuvelage de puits offshores ou bien aux composants utilisés dans des colonnes pour la dépose d'autres outillages. [002] Dans le cadre du forage des puits offshores, il est nécessaire de descendre la garniture de forage, constituée par les composants de forage vissés entre eux, depuis la plateforme en surface de la mer jusqu'au fond où a lieu le forage. Une fois que le puits est foré, il est nécessaire de consolider la paroi du trou en entreposant des tubes de cuvelage (casings) que l'on cimente avec la paroi du trou. Puis, pour mettre le puits en service, il est nécessaire de descendre la colonne de tubes d'exploitation (tubings) à l'intérieur du cuvelage jusqu'au fond du puits. [3] Les opérations visant à descendre la garniture de forage depuis la plateforme jusqu'au fond de la mer, nécessitent généralement de maintenir verticalement la garniture de forage en devenir, en prenant en étau un des composants de la garniture de forage dans la table de rotation (rotary table) le temps de visser le composant supplémentaire à la garniture en devenir. A titre d'information, les composants de forage sont des composants tubulaires très épais et donc très lourds. Ils sont déjà assemblés généralement par trois lorsqu'ils incrémentent la garniture de forage. [4] Les opérations visant à descendre la colonne de tubes de cuvelage, ou bien d'autres outillage, nécessitent d'utiliser à chaque fois une colonne de dépose (landing string) qui assure la liaison entre la plate forme en mer et le puits. Plus précisément, le premier composant de la colonne de dépose en devenir est joint en une de ses extrémités à la colonne de tubes de cuvelage ou bien à la garniture de forage, et est ensuite vissé à un autre composant de la colonne de dépose en devenir. Pendant les vissages des composants de la colonne de dépose en devenir, c'est encore la table de rotation qui maintient le composant pris en étau. A titre d'information, les composants de la colonne de dépose sont déjà assemblés (au plus par trois) lorsqu'ils incrémentent la colonne de dépose. [5] Il apparaît que, lorsque la garniture de forage ou la colonne de tubes de cuvelage associée à la colonne de dépose en devenir, a atteint une longueur conséquente, la traction totale atteint plusieurs milliers de tonnes au niveau du composant pris en étau. Ceci nécessite un serrage très important de la part de la table de rotation sur le composant pris en étau. [6] De ce fait, les composants de garniture de forage tout comme les composants des colonnes de dépose doivent présenter une bonne résistance en traction. De plus, il est nécessaire d'avoir une épaisseur suffisante au niveau des corps de tige afin de résister aux efforts de serrage de la table de rotation. [007] Les règles de conception relatives aux composants tubulaires prévoient à cet effet des raccords filetés ainsi que des épaisseurs de tubes résistant aux efforts de traction et de serrage. Toutefois, les composants de forage tout comme les composants des colonnes de dépose comportent des hétérogénéités de type matériau au niveau des zones de soudure entre les connecteurs et le corps de tige, qui sont la caractéristique de la zone affectée thermiquement. [8] En effet, le soudage entre le connecteur et le corps de tiges, généralement réalisé par friction, modifie, du fait de l'élévation de la température à coeur dans la zone de soudure, les propriétés mécaniques du composant des colonnes de dépose ou de forage dans ladite zone de soudure. Lorsque les mors de la table de rotation prennent en étau la zone de soudure, il peut s'ensuivre des phénomènes d'érosion voire d'initiation de fissures, qui sont dus au fait que les mors impriment au niveau de la surface circonférentielle des composants des déformations. [9] Ces initiations de fissures donnent lieu ultérieurement à des propagations de fissures lorsque le composant est mis en service. Ce phénomène est d'autant plus amplifié que les variations peu progressives de diamètre entre la zone de soudure et le corps de tige occasionnent des concentrations de contraintes particulièrement élevées lorsque le composant travaille en flexion. [10] L'état de la technique propose dans le document FR2714932 de réduire en partie le problème de la sensibilité de la zone de soudure lorsque cette dernière travaille en flexion en ménageant des gorges de soulagement de contraintes de flexion au-delà et en dehors de la zone de soudure et du côté du connecteur. Ces gorges ont pour fonction de diminuer la rigidité de la base du connecteur afin de diminuer la concentration des contraintes au niveau de la zone de soudure. [11] Un autre document référencé US5184495 préconise de rendre très progressive la variation de diamètre entre la partie rengraissée du corps de tige qui est soudée au connecteur, et le diamètre nominal du corps de tige. Cette partie transitoire a égale-ment pour fonction de diminuer la concentration des contraintes au niveau de la zone de soudure. [12] Toutefois ces solutions n'empêchent pas les mors de la table de rotation d'endommager la surface circonférentielle au niveau de la zone de soudure. [13] C'est pourquoi la Demanderesse se propose de protéger la zone de soudure afin d'éviter les amorces de fissure. [014] Plus particulièrement l'invention porte sur un composant tubulaire pour l'exploration ou l'exploitation d'un puits d'hydrocarbures, le composant comprenant un corps de tige d'axe de révolution prolongé en au moins l'une de ses extrémités par un premier connecteur doté d'une extrémité filetée apte à raccorder en vissage le composant tubulaire à un autre composant tubulaire, le premier connecteur étant soudé à ladite extrémité du corps de tige de manière à définir une première zone de soudure, caractérisé en ce que la surface circonférentielle du composant tubulaire comporte une gorge s'étendant au niveau de la première zone de soudure. [015] Des caractéristiques optionnelles, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après. [016] La gorge peut être annulaire et admettre, suivant une coupe longitudinale selon l'axe (20) du composant, un profil courbe, préférentiellement circulaire de rayon supérieur à 200 mm. [17] La gorge peut être annulaire et admettre une profondeur constante. [18] La profondeur de la gorge peut être maximum pour un diamètre extérieur 25 minimum du composant ODWmin au fond de la gorge égal à : OD,min = ID, + 2.wtw.b, avec : IDW : diamètre intérieur du composant au droit de la zone de soudure (en mm) wtw : l'épaisseur du composant au niveau de l'extrémité du corps de tige (en mm) b : taux d'usure prédéterminé pour la surface circonférentielle du composant 30 [019] La profondeur de la gorge peut être minimum pour un diamètre extérieur maximum du composant ODwmax au fond de la gorge égal à : ODwmax = Dte - 2.wt. (1-b), avec : Dte : diamètre extérieur au niveau de l'extrémité du corps de tige (en mm) wt : l'épaisseur du composant au niveau du corps de tige (en mm) b : taux d'usure admis pour la surface circonférentielle du composant [020] La gorge peut s'étendre sur au moins toute la zone de soudure. [021] La gorge peut s'étendre sur une longueur L telle que : 2 . (Dte - ODwmax) 8 TW=rr/4. ((IDW+2.wtW)2-IDW2).YW - IDW : diamètre intérieur au droit de la soudure 21 - wtW : l'épaisseur du composant au niveau de l'extrémité rengraissée du corps de tige 24. - YW : limite d'élasticité minimum dans la zone de soudure. [048] La traction dans le corps de tige s'exprime comme suit : Tp=rr/4. (ODp2 - IDp2) . Yp - IDp : diamètre intérieur dans le corps de tige 24 - ODp : diamètre extérieur dans le corps de tige 24 - Yp : limite d'élasticité minimum dans le corps de tige 24. [049] L'équi-résistance en traction du composant s'exprime alors comme suit : (ODp2 - IDp2) . Yp = ( (IDW + 2.wtW)2 - IDW2) . YW On prévoit généralement un coefficient de sécurité prédéterminé pour garantir que la zone de soudure est plus résistante que le corps de tige. [050] Avantageusement la Demanderesse préconise des règles de conception visant à encadrer la longueur L de la gorge, sachant que la gorge doit s'étendre sur toute la longueur au moins de la zone de soudure. La Demanderesse a mis en évidence l'encadrement suivant : 2 . (Dte - ODwmax) [55] L'invention s'adresse plus particulièrement aux composants de garniture de forage, qui sont des composants particulièrement massifs par rapport à d'autres composants tels que les tubes d'exploitation. En effet, il est connu que lorsque la garniture de forage en devenir a atteint une longueur conséquente, le poids de cette dernière atteint plusieurs milliers de tonnes. Ceci nécessite un serrage très important de la part de la table de rotation. [56] L'invention s'adresse également plus particulièrement aux composants qui constituent les colonnes de dépose. En effet, ces colonnes ont pour fonction de 10 supporter la colonne de tubes de cuvelage ou la colonne de tubes d'exploitation. [57] L'invention s'adresse également plus particulièrement à des composants renforcés qui constituent aussi bien une garniture de forage qu'une colonne de dépose. Ces composants renforcés (crush proof landing) font l'objet de la figure 5. Ces composants comprennent un premier connecteur 23 doté d'un renfort tubulaire 26 15 soudé en l'une de ses extrémités à l'extrémité filetée dudit connecteur et soudé en l'autre de ses extrémités à l'extrémité 25 du corps de tige 24. La zone de soudure 21" définie entre le renfort tubulaire 26 et l'extrémité filetée du connecteur 23 comporte une gorge 22". De même, la zone de soudure 21 définie entre le renfort tubulaire 26 et l'extrémité rengraissée 25 du corps de tige 24 comporte une gorge 22. 20 [058] Tel que représenté sur la figure 6, le composant tubulaire est un composant renforcé du type « crush proof landing » et constitue une variante au composant représenté en figure 5. Il comprend en outre sur une partie de sa surface extérieure circonférentielle, un revêtement, et ce, excepté au niveau de la ou des zones de soudure. De cette manière, on peut former les gorges 22 et 22". Cette variante permet 25 d'une part de constituer une gorge conformément à l'invention, et d'autre part d'intégrer des fonctionnalités supplémentaires inhérentes aux propriétés du revêtement. REVENDICATIONS1. Composant tubulaire (2) pour l'exploration ou l'exploitation d'un puits d'hydrocarbures, comprenant un corps de tige (24) d'axe de révolution (20) pro- longé en au moins l'une de ses extrémités (25) par un premier connecteur (23) doté d'une extrémité filetée apte à raccorder en vissage le composant tubulaire (2) à un autre composant tubulaire, le premier connecteur (23) étant soudé à la-dite extrémité (25) du corps de tige (24) définissant ainsi une première zone de soudure (21), caractérisé en ce que la surface circonférentielle du composant tu- bulaire comporte une gorge (22) s'étendant sur la première zone de soudure. 2. Composant tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge est annulaire et admet, suivant une coupe longitudinale selon l'axe (20) du composant, un profil courbe, préférentiellement circulaire de rayon supérieur à 200 mm. 3. Composant tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge est annulaire et admet en tout ou partie une profondeur constante. 4. Composant tubulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur de la gorge est maximum pour un diamètre extérieur minimum du composant ODwmin au fond de la gorge égal à : OD,min = IDA' + 2.wtw.b, avec : - IDW : diamètre intérieur du composant au droit de la zone de soudure - wtw : l'épaisseur du composant au niveau de l'extrémité du corps de tige (24) - b : taux d'usure choisi de la surface circonférentielle du composant (2) 5. Composant tubulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la profondeur de la gorge est minimum pour un diamètre extérieur maximum du composant ODwmax au fond de la gorge égal à : ODwmax = Dte - 2.wt.(1-b), avec : - Dte : diamètre extérieur au niveau de l'extrémité (25) du corps de tige (24). - wt : l'épaisseur du composant au niveau du corps de tige (24). - b : taux d'usure choisi de la surface circonférentielle du composant (2) 6. Composant tubulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la gorge (22) s'étend sur au moins toute la zone de sou-dure (21). 7. Composant tubulaire selon la revendication 6, caractérisé en ce que la gorge (22) s'étend sur une longueur L telle que : 2 . (Dte - ODWmax)