EP2340349B1

EP2340349B1 - Methode pour alleger une colonne montante avec piece d'usure optimisee

Info

Publication number: EP2340349B1
Application number: EP09747874.7A
Authority: EP
Inventors: Jean Guesnon
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: US8800666B2; BRPI0919950A2; FR2937676A1; WO2010049602A1; FR2937676B1; BRPI0919950B1; EP2340349A1; US20110209878A1

Description

La présente invention concerne le domaine du forage et de l'exploitation de gisements pétroliers ou gaziers situés 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 appelés "joints", assemblés par des connecteurs mécaniques. Les éléments tubulaires sont généralement constitués d'un tube principal aux extrémités duquel sont soudées les pièces de connexion. Le tube principal est pourvu de conduites auxiliaires couramment nommées "kill line", "choke line", "booster line" et "hydraulic line" qui permettent la circulation de fluides entre le fond et la surface. Les conduites auxiliaires sont habituellement installées autour du tube principal d'où leur nom usuel de lignes périphériques. 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. Des éléments flotteurs sont agencés le long de la colonne afin d'en alléger le poids dans l'eau.
L'exploitation de gisements situés en mer à très grandes profondeurs d'eau et/ou de gisements à haute pression impose d'utiliser des colonnes montantes dont le poids et le coût sont pénalisants.
Le document US 6,415,867 décrit une colonne montante, ayant au moins une partie en alliage d'aluminium et sa méthode de fabrication.
Le document R.W.SCHUTZ, C.F.BAXTER, P.L.BOSTER: "Applying titanium alloys in drilling and offshore production systems", JOM, 1 avril 2001, pages 33-35, XP002529858, décrit l'utilisation de titane pour des application telles que les colonnes montantes.
La présente invention propose de modifier la pièce de raccord, couramment nommée "replaceable stab", des tubes formant les conduites auxiliaires, afin de réduire la section d'étanchéité de la pièce de raccord, dans le but de réduire les efforts appliqués à l'ensemble de la colonne montante et, donc, de réduire le dimensionnement des différents éléments constituant la colonne montante, notamment réduire l'épaisseur des tubes et le diamètre des flotteurs.
De manière générale, l'invention décrit une méthode pour alléger le poids d'une colonne montante pour le forage d'un puits en mer selon la revendication 1. Selon l'invention, on peut choisir le diamètre intérieur de la pièce d'embout inférieur au diamètre intérieur des tronçons tubulaires de la conduite auxiliaire.
De préférence, on peut choisir un matériau ayant une limite élastique au moins 49% supérieure à la limite élastique de l'acier des tronçons tubulaires pour composer ladite pièce d'embout.
L'invention décrit également une colonne montante obtenue en mettant en oeuvre la méthode selon l'invention. Dans la colonne selon l'invention, ledit matériau peut être composé d'un alliage métallique comportant au moins 80% en poids de titane, par exemple du Ti-6-4 ou du Ti-6-6-2.
Alternativement, ledit matériau peut être composé d'un acier et au moins la surface interne de ladite pièce d'embout peut être revêtue d'une couche de protection contre la corrosion.
Dans la colonne montante selon l'invention, chacun desdits tronçons tubulaires peut comporter un corps tubulaire métallique fretté par des enroulements de fibres enrobées de matrice polymère.
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 installée en mer,
la figure 2 représente un tronçon de la colonne montante,
la figure 3 schématise un assemblage de lignes auxiliaires selon l'invention.

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 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, tels que représentés en détail à la figure 2, assemblés bout à bout par les connecteurs 5. Les connecteurs peuvent être du type connecteur à baïonnette par exemple décrit par les documents FR 2 432 672 et FR 2 866 942 , ou bien de type connecteur à bride, ou de tout autre type de connecteur.
En référence à la figure 1, des conduites auxiliaires sont disposées en parallèle et à la périphérie du tube principal formé par l'assemblage des tubes 4. Les conduites auxiliaires dénommées "kill line" et "choke line" sont utilisées pour circuler des fluides entre le puits et la surface, ou inversement, lorsque les BOP sont fermés afin de permettre notamment le déroulement des procédures de contrôle des venues de fluides sous pression dans le puits. La conduite auxiliaire dénommée "booster line" permet d'injecter de la boue au niveau du pied de la colonne montante. La (ou les) conduite(s) auxiliaire(s) dénommée(s) "hydraulic line(s)" permet(tent) de transférer un fluide sous pression pour commander les obturateurs "B.O.P." de la tête de puits.
Les conduites auxiliaires sont constituées de plusieurs tronçons de tubes 7 attachés aux éléments de tube principal et assemblés au niveau des connecteurs 5.
Les tubes 7 peuvent être mécaniquement renforcés. Pour cela, on utilise des éléments de tubes 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 tubulaire en métal, décrite dans les documents FR 2 828 121 , FR 2 828 262 , US 4,514,254 . On peut également utiliser une technique connue sous le nom d'autofrettage 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 sans induire de contraintes significatives dans le corps tubulaire en métal. 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.
En partie inférieure, la colonne montante 1 est connectée à la tête de puits 3 par l'intermédiaire du "L.M.R.P." ou "Lower Marine Riser Package" 8. La liaison entre le moyen de connexion 8 et la colonne montante peut comporter une articulation, couramment nommée "bail joint" ou "flex joint", qui permet un débattement angulaire de plusieurs degrés.
En partie supérieure, la colonne montante 1 est accrochée au support flottant 2 par un système de tensioneurs 9, par exemple constitué d'un ensemble de vérins hydrauliques, d'accumulateurs oléo-pneumatiques, de câbles de transfert et de poulies de renvoi.
La continuité hydraulique de la colonne montante 1 jusqu'au plancher de forage s'effectue grâce à un joint coulissant 10, couramment nommé "slip joint", et par une articulation 11 qui autorise un débattement angulaire de plusieurs degrés.
Des flotteurs 12 réalisés sous forme de modules de mousse syntactique ou d'autres matériaux de densité inférieure à celle de l'eau de mer sont attachés au tube principal 4. Les flotteurs 12 permettent d'alléger la colonne montante 1 lorsqu'elle est immergée et de réduire la tension qu'il est nécessaire d'appliquer en tête du riser au moyen des tensioneurs.
La figure 2 représente en détail un tronçon de colonne montante. Le tube principal 4 est muni à ses extrémités des éléments d'un connecteur 5 qui sont aptes à coopérer l'un avec l'autre. Les flotteurs 12 sont répartis le long du tube 4. Le tube de conduite auxiliaire 7 est positionné en périphérie des flotteurs 12. La colonne montante 1 de la figure 1 est constituée d'un assemblage de plusieurs tronçons décrits en référence à la figure 2.
La figure 3 représente en détail un connecteur 5 qui permet d'assembler deux tubes référencés 4, ainsi que deux tubes référencés 7, sur la figure 1. Sur la figure 3, les deux tubes 4 de la figure 1 sont référencés 4a et 4b, les deux tubes 7 de la figure 1 sont référencés 7a et 7b.
L'extrémité d'un tube 4a est munie d'une pièce tubulaire mâle 21 qui coopère avec une pièce tubulaire femelle 20 constituant l'extrémité du tube adjacent 4b. Une bague de verrouillage 22 est montée sur la pièce mâle 21. La pièce tubulaire femelle 20 comporte des tenons (c'est-à-dire des épaulements s'étendant dans la direction radiale sur une faible portion angulaire) qui coopèrent avec les tenons de la bague de verrouillage 22 pour verrouiller l'assemblage de la pièce 20 avec la pièce 21. En général, les pièces 20 et 21 sont soudées aux extrémités des tubes 4b et 4a.
Les extrémités des tubes 7a et 7b sont respectivement munies de pièces de raccords femelles 24 et 23. Les pièces 23 et 24 sont en général soudées aux extrémités des tubes 7b et 7a. Un embout mâle 25 de forme tubulaire coopère avec les pièces 23 et 24 pour assurer la continuité hydraulique de la conduite auxiliaire. Par exemple, l'embout 25 est vissé à l'intérieur du raccord femelle 24. Les joints 26 montés dans des gorges pratiquées à l'intérieur du raccord femelle 24 assure l'étanchéité de la liaison fixe entre l'embout 25 et le raccord 24. Le raccord 23 présente un diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre extérieur de l'extrémité de l'embout 25 de manière à permettre son emboîtement dans celui-ci et son coulissement. Le tube 7b est maintenu fixe par rapport au tube 4b au moyen de la liaison 28 qui relie la pièce de raccord 23 au connecteur 5. A l'autre extrémité, le tube 7a est simplement guidé par la plaque support 29 qui autorise le coulissement de l'embout mâle 25 à travers un orifice pratiqué dans ladite plaque 29.
Ainsi, lorsqu'on effectue l'assemblage de deux éléments adjacents au moyen du connecteur 5 du tube principal, l'embout mâle 25 pénètre librement dans l'embout femelle 23 de la ligne adjacente et, venant frotter sur les joints d'étanchéité 27 en vis-à-vis, assure automatiquement l'étanchéité hydraulique de la liaison. La course de coulissement est calculée de manière à ce que dans la pire situation d'allongement du tube principal et de raccourcissement du tube de la conduite auxiliaire sous l'effet des efforts, des moments, des pressions et des températures, la continuité hydraulique de la liaison est maintenue. Au delà, dans le cas où un dysfonctionnement tendrait à provoquer le désaccouplement de l'embout 25 par rapport au raccord 23, un écrou de sécurité 30 vissé sur l'embout mâle 25 vient prendre appui sur la plaque 29 pour empêcher le désemboîtement.
L'embout mâle 25 constitue une pièce d'usure, aussi appelée "replaceable stab", dont le remplacement par simple vissage/dévissage peut être effectué si nécessaire au cours de la vie du "riser".
De manière générale, le dimensionnement d'une colonne montante pour le forage en mer est notamment décrit dans le document API RP 2RD (Design of risers for FPs and TLPs), ainsi que dans le document API Spec 16Q.
Pour dimensionner une colonne montante, on peut montrer que la tension dite "effective" N(z) à la cote z est égale à la tension T_tête appliquée par les tensioneurs en tête de la colonne diminuée du poids dans l'eau de la colonne et de tout ce qu'il contient entre la tête et la cote z considérée. Si on considère que la colonne est pleine de boue de forage et qu'elle est immergée dans l'eau de mer, on obtient la tension N(z) au moyen de la formule ci-après qu'on peut utiliser en additionnant élément par élément le poids de la colonne P_risér le poids de la boue P_boue et en retranchant la poussée d'Archimède Δ _archi. $N (z) = T_{t \hat{e} te} - \sum_{t \hat{e} te}^{z} (P_{riser} + P_{boue} - Δ_{archi})$
Pour assurer la stabilité latérale du "riser", la tension effective doit être positive en toutes sections avec une marge dépendant des conditions opérationnelles (profondeur d'eau, densité et pression de fluide, ...) et environnementales (houle, courants, ...) considérées.
Une autre manière indépendante d'exprimer cette tension effective à la cote z est de considérer qu'elle est égale à la somme des tensions dans les divers composants (solide et fluides) de la colonne. Si la colonne était un simple tube, ce serait la somme de la tension dite "vraie" dans la paroi (qui génère des contraintes et des déformations dans le métal) et de la tension (négative) dans le fluide sous pression situé à l'intérieur (du fait de la pression de la boue), diminuée de la tension (également négative) exercée par l'eau de mer (poussée d'Archimède). On a alors : $N_{simple} (z) = T_{simple} (z) - P_{i} (z) \cdot S_{i} + P_{e} (z) \cdot S_{e}$
où N_simple est la tension dans la paroi du tube, P_i et P_e les pressions qui règnent à l'intérieur et à l'extérieur du tube et S_i et S_e les sections interne et externe du tube.
On peut montrer que, dans une section à la cote z donnée, la tension effective dans la colonne montante est la somme des tensions effectives dans ses composants tubulaires. On a donc : $N (z) = N_{TP} (z) + \sum_{LP} N_{LP} (z)$
ou N_TP (z) et N_LP (z) sont les tensions effectives dans le tube principal (TP) et dans les tubes auxiliaires (LP) explicitées par la formule (2).
Si l'on considère qu'aucun effort n'est normalement transmis d'une ligne à la suivante (libre coulissement), on déduit que la tension qui s'exerce dans la paroi du tube (négative) est uniquement fonction de la géométrie et des pressions. Il vient : $T_{LP} (z) = - P_{i} (z) \cdot (S_{seal} - S_{i}) + P_{e} (z) \cdot (S_{seal} - S_{e})$
et $N_{LP} (z) = - [P_{i} (z) - P_{e} (z)] \cdot S_{seal} = - Δ P (z) \cdot S_{seal}$
La section d'étanchéité des conduites auxiliaires est égale à la section extérieure $S_{seal} = \frac{π}{4} D_{ext}^{2}$
de l'extrémité coulissante de l'embout mâle 25 en contact avec les joints d'étanchéité 27, dont le diamètre est référencé D_ext .
La tension effective dans une ligne s'exprime simplement en fonction de la section des joints d'étanchéité S_seal et de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du tube.
En remplaçant dans l'équation (3), il vient : $N (z) = N_{TP} (z) - \sum_{LP} Δ P \cdot S_{seal}$
et en substituant dans (1): $N_{TP} (z) = T_{t \hat{e} te} - \sum_{top}^{z} (P_{riser} + P_{boue} - Δ_{archi}) + \sum_{LP} Δ P \cdot S_{seal}$
et, à nouveau d'après l'équation (2) $T_{TP} (z) = T_{t \hat{e} te} - \sum_{top}^{z} (P_{riser} + P_{boue} - Δ_{archi}) + \sum_{LP} Δ P \cdot S_{seal} + (P_{i} \cdot S_{i} - P_{e} \cdot S_{e})$
Cette équation permet de réaliser que la tension T_TP qui s'exerce dans la paroi du tube principal 4 de la colonne montante 1 (donc les contraintes et les déformation axiales dans le tube principal) est égale à la tension effective dans la colonne montante à laquelle on ajoute l'effet des pressions, couramment nommé "effet de fond", dans le tube principal 4 et dans les conduites auxiliaires 7. La pression dans les conduites auxiliaires 7 pouvant être très élevée, notamment dans les conduites de sécurité, la tension supplémentaire induite par cette pression ne doit pas être négligée lors du dimensionnement du tube principal 4.
Selon l'invention, on remarque que la section intérieure des joints d'étanchéité des conduites auxiliaires intervient directement dans le calcul de nombreux paramètres influant sur le dimensionnement de la colonne montante 1, notamment dans les paramètres suivants :

les efforts, les contraintes et les déformations dans la paroi des conduites auxiliaires 7,
les conditions d'apparition du flambage des tubes constituant les conduites auxiliaires 7,
les efforts, les contraintes et les déformations dans le tube principal 4.

La présente invention propose d'optimiser le dimensionnement d'une colonne montante en réduisant autant que possible la section d'étanchéité S_seal des conduites auxiliaires, en particulier celle des conduites de sécurité ("kill line" et "choke line") qui supportent les pressions les plus fortes. Du fait de l'impact de la section d'étanchéité sur les efforts dans les conduites auxiliaires 7 et du tube principal 4, sa réduction permet en effet de réduire de manière globale et significative les dimensions des différents éléments de la colonne montante.
Le diamètre intérieur de l'embout mâle 25 de forme cylindrique est référencé D _int. Le diamètre intérieur de la conduite auxiliaire est généralement imposé par les utilisateurs du "riser" de manière à limiter les pertes de charge dans la ligne à des valeurs acceptables et compatibles avec les procédures de contrôle d'éruption. Le diamètre intérieur D _int de l'embout mâle 25 est habituellement pris égal au diamètre intérieur spécifié de la conduite auxiliaire. Le diamètre extérieur D_ext de l'embout 25 peut donc être déterminé en calculant les contraintes qui s'exercent sur l'embout sous l'effet de la pression des fluides interne et externe et en appliquant le critère de l'API qui stipule que cette contrainte ne doit pas excéder les 2/3 de la limite élastique Rp_0,2 du matériau utilisé pour réaliser l'embout 25. La limite élastique Rp_0,2 est ici définie comme la contrainte qui provoque une déformation résiduelle permanente de 0,2% dans le matériau.
De manière générale, les différents éléments constituant les conduites auxiliaires, notamment les lignes de sécurité "kill & choke lines" sont réalisés en acier résistant à la corrosion par l'H2S, de manière par exemple à satisfaire la norme ISO-15156-2, version internationale de la norme NACE MR0175-91. Malheureusement, les aciers à haute résistance à la corrosion présentent en général des performances mécaniques relativement faibles et, inversement, les aciers à haute limite élastique se corrodent rapidement en présence de fluides chargés en H2S et autres gaz acides souvent contenus dans les effluents provenant des puits pétroliers. De ce fait, les différents éléments constituant une conduite auxiliaire 7 sont réalisés en acier à bonne résistance à la corrosion, mais dont la limite élastique est en pratique limitée à 552 MPa.
La présente invention propose de réaliser l'embout mâle 25 dans un matériau plus résistant que l'acier utilisé pour réaliser les autres éléments de la colonne 1, notamment les tubes 7 et/ou le connecteur 5 composé des pièces tubulaire male 21, femelle 20 et de la bague 22. Par exemple, on choisit un métal dont la limite élastique est au moins 25%, voire 49%, supérieure à la limite élastique de l'acier des tubes 7 et/ou du connecteur 5. Une excellente valeur de la limite élastique du métal de l'embout 25 est au moins 98% supérieure à la limite élastique de l'acier des tubes 7 et/ou du connecteur 5. Pour satisfaire aux normes sur la résistance à la corrosion, on choisit un matériau résistant à la corrosion et qui peut être vissé dans la pièce de raccord 24.
Par exemple on réalise l'embout 25 en 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) qui présente une limite élastique minimale de 830 MPa. Un autre alliage de titane utilisé selon l'invention est le 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. Le Ti-6-6-2 présente une limite élastique minimale de 965 MPa à l'état recuit et même de 1100 MPa à l'état vieilli.
L'embout 25 peut également être réalisé en acier à haute limite élastique. Par exemple, on peut utiliser les aciers X100 ou X120 qui présentent respectivement une limite élastique de 690 MPa et 830 MPa. Dans ce cas, pour palier au problème de corrosion, la surface intérieure de l'embout 25, c'est-à-dire la surface tubulaire en contact avec le fluide, est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion. Les techniques utilisables sont le dépôt d'un revêtement, couramment nommé "cladding", par colaminage ou explosion. Un tel revêtement peut par exemple être réalisé dans un acier inoxydable. La mise en place d'un revêtement peut aussi être réalisé par exemple par rechargement de soudure ou par projection plasma de poudre, puis réusinage à la cote spécifiée.
Le fait d'utiliser un métal plus résistant pour réaliser les pièces d'embout 25 permet, en conservant le diamètre intérieur spécifié D _int, de réduire le diamètre extérieur D_ext . En effet, l'utilisation d'un métal à haute limite élastique permet de réduire l'épaisseur de la pièce tubulaire 25 pour résister aux pressions interne et externe. Ainsi, on peut réduire les sections d'étanchéité au niveau des joints 27.
Une méthode utilisée pour calculer la contrainte maximale dans l'embout 25 consiste à déterminer les trois contraintes principales (longitudinale, circonférentielle et radiale), par exemple pour l'élément en tête du riser (Pe=0) et de les combiner selon la forme connue de von Mises : $σ_{1} = - P_{i}$
$σ_{2} = P_{i} \frac{D_{ext}^{2} + D_{int}^{2}}{D_{ext}^{2} - D_{int}^{2}} (hypothèse des tubes épais de Lamé)$
$σ_{3} = - P_{i}$
$σ_{vM} = \sqrt{\frac{1}{2} [{(σ_{1} - σ_{2})}^{2} + {(σ_{2} - σ_{3})}^{2} + {(σ_{3} - σ_{1})}^{2}]}$
$σ_{vM} \leq \frac{2}{3} {Rp}_{0, 2} \Rightarrow D_{ext}^{2} \geq D_{int}^{2} \frac{{Rp}_{0, 2}}{{Rp}_{0, 2} - 3 P_{i}}$
D'autres méthodes de dimensionnement de l'embout mâle 25 prenant en compte des formules plus générales pour le calcul des contraintes, et/ou procédant à la linéarisation des contraintes dans l'épaisseur de la paroi, et/ou considérant des marges de sécurité et des tolérances de fabrication peuvent être utilisées. Elles aboutissent toutes à des résultats similaires. Notamment, elles mettent toutes en évidence le fait que le diamètre extérieur d'étanchéité D_ext est directement influencée par la limite élastique du matériau Rp_0,2, ce qui rend possible son optimisation.
Le fait de modifier la nature du métal constituant les pièces d'embout 25 en choisissant un métal à plus haute limite élastique procure des avantages sur l'intégralité de la colonne. En effet, l'utilisation d'un métal à haute résistance mécanique permet de réduire la section d'étanchéité $S_{seal} = (S_{seal} = \frac{π}{4} D_{ext}^{2}) .$
Cette mesure présente l'avantage direct de réduire les dimensions et donc le poids des pièces 25. Cependant cette réduction de poids est marginale sur l'ensemble de la colonne montante et ne justifie pas à elle seule d'utiliser un matériau noble et cher pour réaliser les pièces 25. Cependant, au-delà de cet avantage direct, la réduction de la section d'étanchéité des embouts 25 impacte l'ensemble du dimensionnement de la colonne montante au travers des équations données ci-dessus et permet, de par la réduction des efforts sur le tube principal et les conduites auxiliaires, la réduction des dimensions et du poids de l'ensemble des éléments constituant la colonne montante. Ainsi l'utilisation de matériau noble pour réaliser une partie choisie de la colonne montante permet de bénéficier de réduction de poids sur l'ensemble des organes de la colonne montante.
De plus, selon l'invention, pour réduire la section d'étanchéité de l'embout 25, on peut aussi réduire le diamètre intérieur D _int de l'embout 25. La réduction du diamètre intérieur permet, en maintenant l'épaisseur de la paroi constante, de réduire le diamètre extérieur d'étanchéité D _ext. Ainsi, chacun des embouts 25 forme une restriction du passage intérieur dans la conduite auxiliaire 7. Cette restriction provoque une perte de charge supplémentaire dans la conduite auxiliaire, qui peut être compensée par une légère augmentation du diamètre intérieur des tubes 7 en partie courante.
Les exemples de dimensionnement d'une colonne montante présentée ci-après permettent de comparer et d'illustrer les avantages d'une colonne montante munie d'un embout 25 en titane selon l'invention par rapport à une colonne montante clastique.
Dans l'exemple N°1, on considère une colonne montante selon l'art antérieur dans laquelle le diamètre de passage à l'intérieur des conduites auxiliaire est fixé à 4" (soit 101,6 mm) et le matériau des embouts mâles 25 est choisi en acier X80 possédant une limite élastique minimale de 552 MPa. Le diamètre extérieur D_ext des embouts 25 est coté à 5,88 inch, soit 149,4 mm. Une colonne montante a été dimensionnée sur la base des données principales d'ingénierie suivantes :

profondeur d'eau : 3000 m
diamètre extérieur du tube principal 4 : 533,4 mm (21 ")
pression de service des conduites auxiliaires 7 "kill & choke" : 1034 bar (15000 psi)
densité maximale de la boue de forage : 1,8 (15 ppg)
acier du tube principal et des lignes de sécurité : X80 avec limite élastique 552 MPa.

Les principales caractéristiques de la colonne montante qu'on obtient sont, à titre indicatif, les suivantes :

épaisseur de la paroi des tube 7 des conduites auxiliaires "kill & choke" : 24,2 mm
épaisseur de la paroi du tube principal : 22,5 mm
diamètre des flotteurs (selon un calcul approché) : 1454 mm
masse totale du riser : 3511 t, décomposable en 1895 t d'acier et 1616 t de mousse syntactique (flotteurs)
poids dans l'eau : 113 t
tension maximale en tête : 710 t

Le prix approximatif d'une telle colonne est de 40 M$, décomposable en 19 M$ d'acier et 21 M$ de flotteurs. Ces prix sont estimés sur la base d'un coût moyen des pièces en acier de 10 $/kg et d'un coût moyen de 13 $/kg de mousse syntactique.
Les exemples N°2 et N°3 proposent une réduction du diamètre extérieur d'étanchéité D_ext de l'embout 25.
Dans l'exemple N°2, on a remplacé l'acier de l'embout mâle 25 (et lui seulement) par un alliage de titane à 6% d'Aluminium et 4% de Vanadium (Ti-6-4) nettement plus résistant. La limite élastique minimale du Ti-6-4 est en effet de 830 MPa. De plus, ce matériau se caractérise par un excellent comportement dans l'environnement marin et en présence de fluide ou gaz chargés en H₂S et CO₂.
Dans l'exemple N°3, en plus de l'utilisation de l'embout 25 en alliage de titane, on admet une restriction du passage de ½" (12,7 mm) à l'intérieur de l'embout 25, c'est-à-dire que le diamètre D _int est réduit à 88,9 mm (3,5").

Les résultats du dimensionnement des colonnes montantes sont présentés dans le tableau suivant :

Exemple	diamètre interne de l'embout 25	matériau de l'embout 25	épaisseur de l'embout 25	diamètre d'étanchéité	épaisseur des tube K&C 7	épaisseur du tube principal 4	Diamètre des flotteurs
	mm	mm	mm	mm	mm	mm	mm
N° 1	101.6	acier	23,9	149,4	24,2	22,5	1454
N° 2	101.6	titane	11,3	124,2	21,5	20,5	1412
N° 3	88.9	titane	9,9	108,7	20,3	19,4	1389

et les caractéristiques globales de la colonne montante sont les suivantes:

cas	masse d'acier	masse de mousse	masse du riser	prix d'acier	prix de mousse	prix total	écart de prix
	tonne	tonne	tonne	M$	M$	M$	M$
N° 1	1895	1616	3511	19	21	40	---
N° 2	1760	1512	3272	17,6	19,7	37,3	2,7
N° 3	1693	1457	3150	16,9	18,9	35,9	4,1

Ainsi, même si les chiffrages ci-dessus ne tiennent pas compte du surcoût de fabrication de l'embout 25 en titane, matériau coûteux, les écarts indiqués sont très significatifs :

La réduction des épaisseurs de paroi rendue possible par la diminution des efforts induits par la pression interne dans les lignes est directement à l'origine des gains sur la masse d'acier de la colonne montante.
A compensation de flotteurs identique, donc à comportement dynamique de la colonne montante déconnectée similaire, le diamètre des flotteurs, donc leur masse, se trouvent nettement réduits.
Les gains sur le poids des matériaux se chiffrent en centaines de tonnes et en millions de dollars. Ils ne prennent pas en considération les économies induites par la réduction de la masse de la colonne sur les opérations (logistique, manutention, stockage) qui pourraient être du même ordre.
La colonne montante avec un embout en matériau à haute résistance selon l'invention présente des performances opérationnelles (enveloppes de fonctionnement) aussi bonnes sinon meilleures que la colonne montante de référence (comportement dynamique amélioré, prise au courant plus faible).
La résistance à la corrosion des alliages de titane dans des environnements agressifs (eau de mer, fluides pétroliers, boues de forage) est réputée excellente. La question du couplage galvanique entre l'embout en titane et l'acier des conduites auxiliaire peut être étudié afin d'éviter tout risque d'attaque rapide de l'acier, matériau moins noble sur le plan électro-chimique.

Claims

Méthode pour alléger le poids d'une colonne montante pour le forage d'un puits en mer, la colonne comportant un tube principal (4) prolongeant le puits (P) jusqu'à un support flottant (2), au moins une conduite auxiliaire (7) étant disposée parallèlement au tube principal, la conduite auxiliaire comportant des tronçons tubulaires (7a, 7b) en acier assemblés bout à bout, les extrémités desdits tronçons tubulaires (7a, 7b) étant respectivement munies de pièces de raccord femelle (23, 24), chacun desdits tronçons étant raccordé au tronçon adjacent par l'intermédiaire d'une pièce d'embout (25), ladite pièce d'embout (25) étant montée solidaire sur l'extrémité d'un tronçon dans ladite pièce de raccord femelle (24) et montée par emboîtement coulissant dans l'extrémité d'un autre tronçon dans ladite pièce de raccord femelle(23), des moyens d'étanchéité (27) étant disposés entre la pièce d'embout et le tronçon au niveau de l'emboîtement coulissant, caractérisée en ce qu'on choisit un matériau ayant une limite élastique au moins 25% supérieure à la limite élastique de l'acier des tronçons tubulaires pour réaliser ladite pièce d'embout (25) et en ce qu'on dimensionne la pièce d'embout (25) et l'extrémité desdits tronçons en tenant compte de la limite élastique dudit matériau de manière à réduire la section externe de la pièce d'embout au niveau des moyens d'étanchéité (27).
Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on choisit le diamètre intérieur de la pièce d'embout inférieur au diamètre intérieur des tronçons tubulaires de la conduite auxiliaire.
Méthode selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'on choisit un matériau ayant une limite élastique au moins 49% supérieure à la limite élastique de l'acier des tronçons tubulaires pour composer ladite pièce d'embout.
Colonne montante obtenue par une méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit matériau est composé d'un alliage métallique comportant au moins 80% en poids de titane.
Colonne montante selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit matériau est choisi parmi les alliages de titane suivants : Ti-6-4 et Ti-6-6-2 .
Colonne montante obtenue par une méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit matériau est composé d'un acier et en ce qu'au moins la surface interne de ladite pièce d'embout est revêtue d'une couche de protection contre la corrosion.
Colonne montante selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que chacun desdits tronçons tubulaires comportent un corps tubulaire métallique fretté par des enroulements de fibres enrobées de matrice polymère.