Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02396220 2002-07-31
ELEMENT DE CONDUITE HAUTE PRESSION EN TUBE
FRETTE
La présente invention concerne le domaine des conduites haute
pression pour équiper une installation de forage pétrolier, et/ou une
installation de production. Plus précisément, elle concerne une application de
la technique du frettage pour renforcer des tubes métalliques par des éléments
de renfort en matériau composite.
La technique du frettage consiste à enrouler un élément de renfort,
généralement sous forme d'une bande en fibres enrobées dans un polymère,
autour d'un noyau métallique afin d'augmenter la résistance du noyau à la
pression interne sans augmenter son poids de manière significative compte
tenu du faible poids des bandes.
Le noyau peut être un tube métallique, par exemple en acier.
L'élément de renfort est un élément allongé. Il peut se présenter sous la
forme
d'un ruban, d'un fil, ou de préférence d'un ensemble de fils ou mèche enrobée
dans une matrice polymère.
L'élément de renfort peut être enroulé autour du noyau en y
introduisant une tension. Ainsi, l'élément de renfort enroulé autour du noyau
est contraint en traction ce qui introduit la mise sous contrainte du noyau
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métallique. La précontrainte subie par le noyau est semblable à celle que
produirait une pression extérieure d'écrasement.
Pour produire un pétrole à partir d'un gisement situé en mer, on utilise
une colonne montante, généralement appelée riser , permettant de relier la
tête de puits, située au niveau du fond marin, à la surface de la mer. La
colonne montante constitue le prolongement du tubage qui achemine le pétrole
du fond du puits jusqu'à la tête de puits. La conduite riser est munie
d'au
moins deux conduites auxiliaires appelées kill line et choke line qui
ont
pour fonction principale d'établir une liaison hydraulique entre la surface de
la
mer et la tête de puits située sur le fond marin. Plus particulièrement, les
conduites auxiliaires permettent d'alimenter en fluide le puits en circulant
sous l'obturateur de sécurité fermé, et/ou d'évacuer un fluide du puits, sans
passer par l'intérieur de la colonne montante qui n'est pas résistante à une
haute pression. Le fluide convoyé, provenant d'une venue d'un réservoir
sous-terrain peut circuler sous une pression de 700 bars.
La présente invention propose d'utiliser des tubes frettés afin de
réduire le poids des conduites auxiliaires. Elle a pour but de proposer un
mode
de réalisation simple et économique d'un élément de conduite haute pression
en tube fretté.
La présente invention concerne un élément de conduite haute pression
comportant au moins une couche de frettage sur un noyau métallique. Le
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noyau est constitué d'une partie principale à laquelle sont soudés deux moyens
de raccordement à chaque extrémité. La partie principale comporte un nombre
de couches de frettage pour induire une précontrainte déterminée dans le
noyau, et la conduite comporte des couches de frettages supplémentaires dans
une zone s'étendant de part et d'autre des deux soudures.
Selon la présente invention, les. couches de frettages supplémentaires
peuvent s'étendre sur au moins 50 mm sur la partie principale.
Les extrémités des moyens de raccordement peuvent ne pas être
frettées et peuvent comporter une épaisseur suffisante pour résister au moins
à la même pression interne que la partie principale frettée.
La surface extérieure des moyens de raccordement peut former un cône
entre la partie principale et chacune des extrémités des moyens de
raccordement. Les cônes peuvent être recouverts au moins en partie par les
couches de frettage supplémentaires.
Selon la présente invention, l'élément de conduite est recouvert sur
toute la surface externe d'une couche de protection en fibre de verre enrobée
de
matrice polyamide colorée.
L'élément de conduite selon, la présente invention peut être utilisé pour
fabriquer une ligne auxiliaire d'un riser de forage, la ligne auxiliaire
pouvant
être une kill line , une choke line , une ligne de gavage ( booster
line ) ou
une ligne de retour de boue ( mud return line ).
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D'autres détails, particularités et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture d'un exemple de réalisation de l'invention,
nullement limitatif, décrit en référence aux figures ci-après annexées parmi
lesquelles :
- la figure 1 représente un élément de conduite en tube fretté selon
l'invention,
- la figure 2 représente la zone de transition de la première extrémité
d'un tube fretté, coté raccord femelle,
- la figure 3 représente la zone de transition de la deuxième
extrémité d'un tube fretté, coté raccord male.
La figure 1 représente un élément de conduite haute pression en tube
fretté selon l'invention. Cet élément comporte quatre parties distinctes : un
tube métallique 1 ou noyau, un premier raccord 3, un deuxième raccord 4 et les
couches de frettage 2. Le tube 1 a un diamètre interne D et une épaisseur e
sensiblement constants sur la longueur du tube 1. Les raccord 3 et 4 sont des
pièces tubulaires obtenues, par exemple par usinage, forgeage ou moulage.
Selon la présente invention, le tube métallique 1 et les deux raccords 3 et 4
sont fabriqués indépendamment les uns des autres. Le tube 1 généralement
fabriqué à partir d'une ébauche laminée. Puis, les raccord 3 et 4 sont soudés
au
tube 1. On soude le raccord 3 à l'une des extrémités du tube 1, la soudure
étant
indiquée par la référence 8 sur la figure 1. Et, on soude le raccord 4 à
l'autre
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extrémité du tube 1, la soudure étant indiquée par la référence 9 sur la
figure
1. On obtient ainsi un ensemble métallique. En enroulant un élément de
renfort autour de cet ensemble métallique, on réalise le frettage 2 de
l'ensemble métallique. L'élément de renfort peut être réalisé à partir d'une
5 matrice de polyamide renforcée par des fibres de carbone. Le frettage
comporte
un nombre de couches suffisant pour que le tube résiste à une pression interne
déterminée. L'ensemble métallique, composé des raccords 3 et 4, et du tube 1,
est fretté sur toute sa longueur, mis à part à ses extrémités : la partie 33
du
raccord 3 et la partie 63 du raccord 4, qui sont susceptibles de coopérer avec
d'autres éléments, ne sont pas frettées.
Le principe du frettage selon l'invention consiste à induire une
précontrainte de compression dans le noyau métallique ou tube 1 par
l'intermédiaire des bandes de renfort en composite. Ainsi précontraint, la
capacité de résistance à la pression interne du tube 1 est augmentée, puisque
la contrainte effective en pression est diminuée de la valeur de précontrainte
induite à la fabrication. Autrement dit, la pression admissible dans cet
élément de conduite est augmentée de la valeur de pression interne qui
équilibrerait la pression de frettage.
Dans la suite de la description on nomme première zone de
transition la zone entourée par le cercle 5 qui s'étend de part et d'autre
de la
soudure 8. On nomme deuxième zone de transition la zone entourée par le
cercle 7 qui s'étend de part et d'autre de la soudure 9. Sur l'élément de
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conduite 1, la zone située entre la première zone et la deuxième zone de
transition est appelée zone courante référencée 6 sur la figure 1.
La zone courante 6 comporte un nombre de couches de frettage
déterminé pour pouvoir résister à une pression interne déterminée. Le nombre
de couche de frettage est généralement constant sur toute la longueur de la
zone courante 6.
Les soudures 8 et 9 constituent des endroits où il y a une
hétérogénéité, et potentiellement une fragilisation à la fatigue. La présente
invention propose de pallier à ces risques mécaniques dans des zones de
transition, et d'augmenter la résistance à la pression interne du tube fretté
au
niveau des soudures 8 et 9.
Ainsi, un élément de conduite selon la présente invention présente
l'avantage d'être plus résistant à la pression interne au niveau des zones de
transition 5 et 7 qu'au niveau de la zone courante 6. Pour cela les zones de
transition 5 et 7 sont recouvertes d'un frettage ayant un nombre de couche
plus élevé que celui recouvrant la zone courante 6.
La figure 2 représente plus en détail la première zone de transition 5.
Le tube métallique 1 est lié au raccord 3 par la soudure 8. Au niveau de la
soudure 8, l'épaisseur de métal e et le diamètre D du tube 1 sont identiques à
l'épaisseur de métal el et au diamètre Dl du raccord 3. Dix-huit couches de
frettage (de la couche 10 à la couche 27) peuvent recouvrir la zone courante 6
et la première zone de transition 5. La couche 10 est déposée directement sur
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le tube métallique 1, la couche 27 constitue la surface extérieure du tube
fretté. Avant l'enroulement de la couche 10, le tube métallique peut subir une
préparation de surface, par exemple de type Rilsan , pour assurer une bonne
adhérence de la couche 10 sur le tube métallique 1. La tension appliquée dans
les couches varie de façon régulière de 2400 N pour la couche 10 jusqu'à
2320 N pour la couche 27. Pour augmenter la résistance à la pression interne
au niveau de la soudure 8, on dépose des couches de frettage supplémentaires
sur la première zone de transition 5. Au niveau de la soudure 8 et au-dessus
des couches de frettage 10 à 27, on peut déposer vingt-deux couches de
frettage
(de la couche 28 à la couche 49). Les vingt-deux couches de frettages
supplémentaires 28 à 49 recouvrent la première zone de transition 5. La
couche 28 est déposée sur la couche 27 et la couche 49 constitue la surface
extérieure du tube fretté au niveau de la première zone de transition 5. La
tension appliquée dans les couches 28 à 49 peut être de 1000 N. Par exemple,
les couches de frettage 28 à 49 peuvent s'étendre à partir de la soudure 8 sur
une longueur L1 au moins égale à 50 mm du coté du tube métallique 1 et sur
une longueur L2 au moins égale à 25 mm du coté du raccord 3. Au-delà de la
longueur L1 sur le tube 1, le nombre de couches supplémentaires 28 à 49
diminue progressivement de vingt deux jusqu'à zéro. Sur le tube 1, la couche
49 située à l'extérieur s'étend le moins loin, la couche 28 s'étend le plus
loin.
Le raccord 3 peut être partagé en trois parties ayant chacune au moins
une fonction distincte.
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La partie 31 désigne l'extrémité du raccord 3 qui est soudée au tube 1.
Sur la figure 2, la partie 31 s'étend sur la longueur L2 à partir de la
soudure 8.
La géométrie de la partie 31 est identique à la géométrie du tube 1 : le
diamètre intérieur Dl et l'épaisseur de métal el de la partie 31 sont
sensiblement identiques au diamètre intérieur D et l'épaisseur de métal e du
tube 1. La partie 31 est frettée par les couches 10 à 49 précédemment
décrites.
L'épaisseur de métal el et le nombre de couches de frettage sont choisis de
manière à ce que la résistance à la pression interne de la partie 31 soit
supérieure à la résistance à la pression interne de la zone courante 6.
La partie 33 du raccord 3 a notamment pour fonction de coopérer avec
un autre raccord. La partie 33 n'est pas frettée. L'épaisseur de métal e3 de
la
partie 33 est choisie de manière à ce que la résistance à la pression interne
de
la partie 33 soit au moins égale à la résistance à la pression interne de la
zone
courante 6. Sur la figure 2, le diamètre intérieur D3 de la partie 33 est
identique au diamètre intérieur Dl de la partie 31 et l'épaisseur de métal e3
de la partie 33 est supérieure à l'épaisseur de métal el de la partie 31.
La partie 32 désigne la partie du raccord 3 située entre la partie 31 et
la partie 33. La partie 32 a pour fonction de réaliser la transition entre la
partie 31 qui a une épaisseur de métal el et un frettage constitué de quarante
couches et la partie 33 non frettée qui a une épaisseur de métal e3 supérieure
à el. Sur la partie 32, l'invention propose d'augmenter progressivement
l'épaisseur de métal e2, et simultanément, de diminuer progressivement le
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nombre de couche de frettage. Ainsi l'augmentation de l'épaisseur de métal e2
et la diminution du nombre de couche de frettage sont choisies pour que la
résistance à la pression interne de la partie 32 soit constamment au moins
égale à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Le passage
progressif de la géométrie de la partie 31 à la géométrie de la partie 33
évite
les concentrations de contraintes. Sur la figure 2, le diamètre D2 de la
partie
32 est sensiblement identique aux diamètres Dl et D3 des parties 31 et 33. A
l'interface entre la partie 31 et 32, l'épaisseur de métal e2 de la partie 32
est
sensiblement égale à l'épaisseur de métal el de la partie 31. Plus on
s'éloigne
de l'interface entre la partie 31 et 32 plus l'épaisseur de métal e2 augmente.
La surface extérieure de la partie 32 peut être un cône d'angle a. L'intérieur
de
la partie 32 est un cylindre de diamètre D2. Cette augmentation de l'épaisseur
de métal e2 est accompagnée par une diminution progressive du nombre de
couche de frettage. Le nombre de couche de frettage diminue progressivement
de quarante couches au niveau de l'interface entre la partie 31, et la partie
32
jusqu'à zéro couche lorsque l'épaisseur de métal e2 est suffisante pour
résister
à la pression interne.
La figure 3 représente en détail la deuxième zone de transition 7. Le
tube métallique 1 est lié au raccord 4 par la soudure 9. Au niveau de la
soudure 9, l'épaisseur' de métal e et le diamètre D du tube 1 sont identiques
à
l'épaisseur de métal e4 -et au diamètre D4 du raccord 4. Dix-huit couches de
frettage 10 à 27, précédemment décrite en relation avec la figure 2,
recouvrent
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la zone courante 6 et la deuxième zone de transition 7. Pour augmenter la
résistance à la pression interne au niveau de la soudure 9, on dépose des
couches de frettage supplémentaires sur la deuxième zone de transition 5. Par
exemple, au niveau de la soudure 9 et au-dessus des couches de frettage 10 à
5 27, on dépose sept couches de frettage (de la couche 50 à la couche 56). Les
sept
couches de frettages supplémentaires 50 à 56 recouvrent la deuxième zone de
transition 7. La couche 50 est déposée sur la couche 27 et la couche 56
constitue la surface extérieure du tube fretté au niveau de la deuxième zone
de
transition 7. La tension appliquée dans les couches 50 à 56 peut être de
10 1000 N. Par exemple, les couches de frettage 50 à 56 peuvent s'étendre à
partir
de la soudure 9 sur une longueur L3 au moins égale à 50 mm du coté du tube
métallique 1 et sur une longueur L4 au moins égale à 25 mm du coté du
raccord 3. Au-delà de la longueur L3, le nombre de couches supplémentaires 50
à 56 diminue progressivement de sept jusqu'à zéro. Sur le tube 1, la couche 56
située à l'extérieur s'étend le moins loin, la couche 50 s'étend le plus loin
sur le
tube 1.
Le raccord 4 peut être partagé en trois parties ayant chacune au moins
une fonction distincte. Les parties 61, 62 et 63 du raccord 4 sont
respectivement analogues aux parties 31, 32 et 33 du raccord 3.
La partie 61 désigne l'extrémité du raccord 4 qui est soudée au tube 1.
Sur la figure 3, la partie 61 s'étend sur la longueur L4 à partir de la
soudure 9.
La géométrie de la partie 61 est sensiblement identique à la géométrie du tube
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1 : le diamètre intérieur D4 et l'épaisseur de métal el de la partie 61 sont
sensiblement identiques au diamètre intérieur D et à l'épaisseur de métal e du
tube 1. La partie 61 est frettée par les couches 10 à 27 et 50 à 56
précédemment décrites. L'épaisseur de métal e4 et le nombre de couches de
frettage sont choisis de manière à ce que la résistance à la pression interne
de
la partie 61 soit supérieure à la résistance à la pression interne de la zone
courante 6.
La partie 63 du raccord 4 a notamment pour fonction de coopérer avec
un autre élément. La partie 63 n'est pas frettée. L'épaisseur de métal e6 de
la
partie 63 est choisie de manière à ce que la résistance à la pression interne
de
la partie 63 soit au moins égale à la résistance à la pression interne de la
zone
courante 6. Sur la figure 3, le diamètre intérieur D6 de la partie 63 est
inférieur au diamètre intérieur D4 de la partie 61 et l'épaisseur de métal e6
de
la partie 63 est supérieure à l'épaisseur de métal e4 de la partie 61.
La partie 62 désigne la partie du raccord 4 située entre la partie 61 et
la partie 63. La partie 62 a pour fonction de réaliser la transition entre la
partie 61 qui a une épaisseur de métal e4 et un frettage constitué de vingt-
cinq
couches et la partie 63 non frettée qui a une épaisseur de métal e6 supérieure
à e4. Dans la partie. 62, l'invention propose d'augmenter progressivement
l'épaisseur de métal e5 et simultanément de diminuer progressivement le
nombre de couche de frettage. Ainsi l'augmentation de l'épaisseur de métal e5
et la diminution du nombre de couche de frettage sont choisies pour que la
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résistance à la pression interne de la partie 62 soit constamment au moins
égal
à la résistance à la pression interne de la zone courante 6. Le passage
progressif de la géométrie de la partie 61 à la géométrie de la partie 63
évite
les concentrations de contraintes. Sur la figure 3, le diamètre D5 et
l'épaisseur
e5 de la partie 62 varient. A l'interface entre des parties 61 et 62,
l'épaisseur
de métal e5 de la partie 62 est sensiblement égale à l'épaisseur de métal e4
de
la zone 61 et le diamètre D5 est sensiblement égal au diamètre D4. Plus on
s'éloigne de la partie 61, plus l'épaisseur de métal e5 augmente et plus le
diamètre D5 diminue. La surface intérieure de la partie 62 peut être
constituée d'un cône d'angle 0. La surface extérieure de la partie 62 peut
être
constituée d'un cône d'angle S. Cette augmentation de l'épaisseur de métal e5
est accompagnée par une diminution progressive du nombre de couches de
frettage. Sur la partie 62, le nombre de couche de frettage diminue
progressivement de vingt-cinq couches au niveau de l'interface entre la partie
61 et la partie 62 jusqu'à zéro couche lorsque l'épaisseur e5 est suffisante
pour
résister seule à la pression interne.
La surface extérieure de l'élément de conduite selon l'invention peut
être recouverte d'une enveloppe de protection. Cette enveloppe de protection
peut être réalisée par bobinage, c'est à dire qu'on enroule un élément allongé
autour du tube suivant des spires jointives et collées les unes aux autres.
L'élément allongé peut être bobiné sans tension. L'élément allongé peut être
réalisé à partir d'une matrice en polyamide chargée de fibres de verre ou de
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Kevelar*. L'enveloppe de protection peut également servir à donner la
coloration
externe du tube fretté, par exemple blanche.
Sur la figure 1, la pièce 70 représente une pièce d'usure. La pièce
d'usure 70 est destinée à coopérer avec un raccord femelle 3 d'un autre
élément
de conduite et est fixée sur le raccord 4.
La pièce d'usure 70 peut constituer la partie femelle de la liaison avec
le raccord 4. La pièce d'usure est vissée sur le raccord 4. Des éléments
d'étanchéité 71, par exemple des joints à lèvres, sont disposés entre la
surface
intérieure de la pièce d'usure 70 et la surface extérieure du raccord 4 pour
assurer l'étanchéité de la liaison.
La pièce d'usure 70 d'un premier tube peut constituer la partie mâle de
la liaison avec le raccord 3 d'un second tube. La pièce d'usure 70 est en
contact
avec le raccord 3 selon la surface cylindrique 72. L'étanchéité peut être
également assurée par des joints d'étanchéité.
A la suite d'un certain nombre de connexions entre éléments de
conduite, le raccord male peut être endommagé. Dans ce cas, la pièce d'usure
70 sera à changer, avec les joints correspondants de la pièce femelle 3.
* (marque de commerce)
