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CA 02247667 1998-10-08
TIGE RENFORCEE EN MATERIAU COMPOSITE
La présente invention concerne une tige de grande longueur,
suffisamment flexible pour être enroulée sur un touret, tout en étant
rigide en compression pour pouvoir être introduite dans un conduit de
10 grande longueur, par exemple un trou de forage, une canalisation, ou un
tunnel.
On connaît le document EP-352148 B1 de la demanderesse qui
décrit une tige composite semi-rigide comportant des conducteurs et/ou
des fibres optiques intégrés dans un matériau composite renforcé par des
15 fibres de verre, de carbone ou d'aramide enrobées dans une matrice
thelrnoplastique ou thermodurcissable. Les caractéristiques de rigidité et
de résistance à la traction obtenues par une telle tige sont adaptées à la
plupart des applications, en particulier dans les domaines ou les fluides
présents autour de la tige n'ont pas d'effet sur la résistance mécanique du
20 matériau composite.
Mais les fibres de renfort, fibres de verre ou autres, peuvent se
fragiliser en cours d'application. En effet, on peut citer en exemple le fait
que les fibres de verre mises sous contraintes mécaniques dans un
environnement de fluide aqueux salé et chaud peuvent se détériorer. Une
25 rupture partielle ou totale des fibres de renfort entraîne également la
détérioration des conducteurs et fibres optiques. Cette rupture qui peut
conduire jusqu'à la perte d'un tronçon de tige dans le puits ou la conduite,
peut avoir des conséquences graves pour les opérations en cours, et le
repêchage en fond de puits peut etre très difficile, voire impossible.
La présente invention décrit une tige, perfectionnée par rapport a
la tige décrite dans le document EP-352 148-B 1, qui comporte un
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renforcement mécanique optimisé pour notamment éviter les
inconvénients précités.
Ainsi, la présente invention concerne une tige semi-rigide en
matériau composite comportant une ame constituée d'au moins une ligne
5 de transmission de données électriques, optiques ou fluidiques, une
couche de fibres de renfort enrobées dans une matrice plastique qui
confère une rigidité déterminée tout en pouvant etre élastiquement
enroulée sur un tambour. La tige comporte en outre au moins une couche
de renfort en fils d'acier disposée au dessus de ladite ame, telle que la
10 résistance à la traction de ladite couche de renfort est au plus la moitié de la résistance à la traction de ladite couche de fibres.
La couche de renfort en fils d'acier peut etre constituée par une
seule rangée de fils jointifs sur la surface extérieure de ladite ame.
Les fils de renfort en acier peuvent etre di$posés sensiblement
15 longitudinalement.
La résistance à la traction de la couche de renfort peut etre au plus
le quart de la résistance à la traction de la couche de fibres.
Selon une variante, une gaine extérieure d'étanchéité peut etre
extrudée au dessus de la couche de fibres de renfort. Cette gaine peut etre
20 en thermoplastique, par exemple un PVC, destinée notamment à protéger
la couche de fibres de renfort et la matrice thermodurcissable des
agressions chimiques par des fluides ou les rayonnements W.
L'invention peut etre appliquée aux opérations de déplacement de
moyens mesure ou d'instruments dans un conduite ou un puits fortement
25 incliné.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages
apparaltront plus clairement à la lecture de la description qui suit
d'exemples, nullement limitatifs, de réalisations de la tige selon
30 l'invention, illustrés par les figures ci-annexées, parmi lesquelles:
~ La figure 1 montre en coupe transversale la tige semi-rigide.
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~ Les figures 2A et 2B montrent schématiquement les dispositions des fils de renfort.
~ La figure 3 montre en coupe longitudinale un exemple de moyen de
connexion en extrémité de la tige selon l'invention.
La figure 1 montre un exemple de structure d'une tige semi-rigide
selon l'invention. Ladite tige est constituée d'au moins trois éléments:
~ l'âme centrale 1 constitue la partie comportant les moyens de
transmission d'informations ou de commandes. Généralement, cette
10 âme comporte au moins un conducteur électrique. Dans certains cas,
comme représenté sur la figure 1, il y a sept conducteurs électriques 4
entourant une fibre optique 5. Il pourra également y avoir des conduits
fluidiques au sein de cette ame. Pour blinder électriquement les
conducteurs, un film cuivré peut enrober l'ame. On peut également
15 disposer des fils de continuité de masse.
~ La partie 2 est constituee de fils métalliques de renforcement. La section
des fils 6 peut être circulaire, carrée, rectangulaire, ou autre. La surface
totale de la section des fils de renfort est déterminée en fonction de la
resistance à la traction que l'on souhaite pouvoir toujours appliquer sur
20 la tige, même si le matériau composite 3 est partiellement ou totalement
rompu.
~ La partie 3 est constituée par un matériau composite comportant des
fibres de renfort, en verre, en carbone ou aramide, enrobées dans une
matrice en résine thermoplastique ou thermodurcissable, par exemple
25 de la résine époxyde, phénolique, ou polyester insaturé ou vinylester. La
plupart des fibres sont disposées longitudinalement, mais un certain
nombre de fibres peut être posé en hélice. Le taux de fibres de renfort et
de matrice est determiné pour que la raideur de la tige soit grande tout
en permettant l'enroulement de ladite tige sur un tambour dont le
30 diamètre est environ entre 1,5 et 3 mètres et de préférence voisin de 2
mètres. La flexion due à l'enroulement ne doit pas entralner de
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déformation des matériaux constitutifs de la tige au delà de la limite
élastique. Ainsi, la section de la partie composite 3 est relativement
grande proportionnellement au diamètre de la tige, lui conferant une
résistance à la traction (compte tenu des caractéristiques mécaniques
5 des fibres) qui dépasse ce que l'on a besoin pour effectuer le retrait de la
tige et les outils fixes en extremité.
~ La reference 20 designe une couche supplémentaire optionnelle deposée
par extrusion, dans le but d'isoler au mieux la couche de matériau
composite 3 des fluides extérieurs, ou pour limiter l'abrasion.
Un exemple de caractéristiques dimensionnelles et mécaniques
d'une tige semi-rigide renforcée est donné ci-après:
~ Diamètre exterieur de la partie 1: 5,5 mm
~ Epaisseur des fils de renfort 6: 1 mm
15 ~ Les fils de renforts sont disposés de façon jointive sur l'extérieur de
l'âme.
~ Module d'élasticité de l'acier des fils de renfort: 500 à 2000 Mpa, et de
préférence environ 1700 Mpa.
~ Diamètre extérieur de la tige: 19 mm.
~ Poids lineique de la tige: 0,6 à 1 kg/m
~ Taux de fibres de verre: au plus 80%.
~ Matrice en résine vinylester.
. Résistance à la traction du composite seul (fibres de verre): environ
~3 tonnes
25 ~ Résistance à la traction des fils de renfort 6: 2 à 4 tonnes
On note que la tige ci-dessus pèse entre 600 kg et 1000 kg pour
1000 m de longueur. Les instruments (par exemple sondes de mesure) que
l'on peut etre conduit à fixer à l'extrémité de la tige ont un poids qui
30 n'excède pas 800 kg. La capacité de traction des fils de renfort est
généralement entre 2 et 4 t, mais pourrait etre augmentée en choisissant
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d'autres aciers de limite élastique supérieure. Cette capacité est donc
compatible avec des longueurs de tiges de plusieurs milliers de mètres.
Bien entendu, il faut tenir compte du fait que la canalisation est remplie
d'un liquide dont la densité diminue le poids à tracter vers la surface,
Les figures 2A et 2B représentent schématiquement les
dispositions de la ou des couches 2 de fils de renforts 6 qui sont disposés
sur la surface extérieure de l'âme 1 d'axe longitudinal t. Sur la figure 2A,
les fils de renfort sont posés selon une hélice faisant un angle o~ avec la
direction t. Cet angle (x doit être de préférence inférieur à 35~ puisque ces
10 fils ont pour fonction de résister à des contraintes longitudinales de
traction.
Pour des raisons de fabrication, il peut être nécessaire de tenir les
fils 6 par des moyens de fixation 7 autour des fils. Ces moyens peuvent
être des bandes collantes renforcées, disposées en anneau ou enroulées
15 sensiblement en continu autour de la couche 2.
La figure 2B montre une disposition des fils de renfort disposés
longitudinalement de manière sensiblement parallèle à la direction de l'axe
t. Dans ce cas, on maintient les fils également par des moyens de fixation
7. Ainsi disposés, les fils d'acier ne génèrent pas de torsion lorsque la tige
20 est en tension.
Les parties l et 2 sont ensuite enrobées par le matériau composite
3 selon la technique de pultrusion. Il est clair que les fils de renfort sont
alors noyés dans la matrice d'enrobage des fibres de renfort dudit
matériau composite.
Une tige semi-rigide selon l'invention présente ainsi une raideur
importante, une relative légèreté par rapport à un coiled-tubing acier, une
surface extérieure lisse qui a un coefficient de frottement réduit avec les
parois de la canalisation ou du puits dans lequel est introduite la tige
selon l'invention. En fonctionnement normal, tous les efforts, y compris en
30 traction, sont supportés par la matériau composite. En cas de
détérioration partielle ou totale du matériau composite, les fils de renfort 6
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en acier reprennent progressivement l'effort de traction. S'il y a rupture
des fibres du composite, il restera une continuité mécanique par les fils de
renfort de la partie 2 ainsi que la continuité des conducteurs de l'âme 1.
Cette continuité permet de remonter hors du puits les instruments de
5 mesure dans la limite de traction des fils d'acier de la couche de renfort 2.
La figure 3 illustre schématiquement un moyen de connexion
mécanique avec les instruments 8 fixés à l'extrémité inférieure de la tige
selon l'invention. Le moyen de connexion peut aussi être utilisé pour relier
deux tronçons de tige semi-rigide, ou un tronçon de tige avec un coiled-
10 tubing ou des tiges de manoeuvre conventionnelle. On pourra se référeraux documents EP-352148-Bl et FR-2708055, cités ici en référence, qui
décrivent des moyens de connexion mécanique sur des tiges semi-rigides
antérieures. Avec une tige comportant à la fois des fils en acier de renfort
et un matériau composite, par exemple époxy et fibres de verre, la retenue
15 pourra de préférence être réalisée à la fois sur les fils en acier et sur le
matériau composite. Sur la figure 3, un manchon 9 comportant deux
éléments 9a et 9b est enfilé sur une extrémité d'une tige semi-rigide selon
l'invention. L'élément 9a est serti, et/ou collé, sur la surface extérieure de
l'extrémité de la tige, par exemple selon ce qui est décrit dans le document
20 FR~2708055. L'élément 9b comporte: un orifice central qui permet le
passage de l'âme 1, une surface conique femelle 13, et un filetage 11 pour
l'assemblage avec l'extrémité supérieure de l'instrument 8. Les fils d'acier
6 sont coincés sur la surface 13 par le moyen d'un cône 10.
Sans sortir de l'invention, on pourra connecter deux moyens de
25 connexion ensembles, par l'intermédiaire du filetage 11, de façon à relier
deux tronçons de tige semi-rigide. Egalement, si la tige comporte deux
couches superposées de fils de renfort, on pourra utiliser un système de
coincement des fils à double cône coaxiaux.
Une telle tige semi-rigide est utilisée dans des opérations de
30 mesure dans des conduites ou des puits où la mise en place des
instruments est problématique car ils ne peuvent pas descendre sous leur
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propre poids, par exemple parce que la conduite ou le puits comportent
une portion très inclinée et même horizontale. La tige selon l'invention
peut permettre d'exercer une poussée sur les instruments afin de les
déplacer, puis une traction pour les remonter à la surface du sol, ou pour
5 les sortir de la conduite. Les manoeuvres sont facilitées par le fait que la
tige est enroulée sur un tambour ayant un diamètre généralement
d'environ 2 mètres. Avec la tige selon l'invention, les applications
suivantes sont possibles. mais nullement limitees à celles-ci: opérations
de logging dans un puits pétrolier fortement incliné, mise en place de
10 capteurs permanents dans des tubes de production, contrôle et inspection
interne dans des pipe-lines ou des flexibles, mesures géologiques dans des
forages en amont d'un creusement de tunnel, etc.
