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) < L < 25,42 / (Dte - ODwmax) avec : Dte : diamètre extérieur au niveau de l'extrémité 25 du corps de tige 24 (en mm) ODwmax : diamètre extérieur maximum du composant au fond de la gorge (en mm) 10 [022] La gorge peut s'étendre sur une longueur L comprise entre 2 mm et 500 mm [23] Le fond de la gorge peut être raccordé avec la surface circonférentielle extérieure du composant au moyen de chanfreins. [24] Les chanfreins peuvent être inclinés par rapport à l'axe du composant selon un angle inférieur à 60°, et préférentiellement sensiblement égal à 45°. 15 [025] Le fond de la gorge peut être raccordé aux chanfreins au moyen d'un rayon r. [26] Le rayon r peut être compris entre 1,6 et 4,8 mm. [27] L'épaisseur de l'extrémité du corps de tige peut être supérieure à l'épaisseur nominale du corps de tige. [28] L'autre extrémité du corps de tige peut être soudée à un second connecteur de 20 manière à définir une seconde zone de soudure, la surface circonférentielle du composant tubulaire comportant une seconde gorge annulaire s'étendant au niveau de la seconde zone de soudure. [29] Le composant tubulaire peut être un composant de garniture de forage ou un composant de colonne de dépose. 25 [030] Le premier connecteur peut comprendre un renfort tubulaire soudé en l'une de ses extrémités à l'extrémité du corps de tige, et soudé en l'autre extrémité au connecteur, la zone de soudure définie entre le renfort tubulaire et le connecteur comportant une troisième gorge. [31] Le composant tubulaire peut comprendre sur la surface circonférentielle un revêtement excepté sur la ou les zones de soudure, de manière à définir la ou lesdites gorges. [32] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 5 détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : [33] la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble pour l'exploration ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures ; [34] la figure 2 est une vue schématique d'un composant de garniture de forage ou 10 de colonne de dépose [35] les figures 3, 5, 6 sont des vues schématiques partielles d'un composant d'une garniture de forage ou d'une colonne de dépose selon différents modes de réalisation de l'invention. [36] la figure 4a est une vue schématique détaillée partielle d'un composant d'une 15 garniture de forage ou d'une colonne de dépose selon un mode de réalisation. [37] la figure 4b est une vue schématique détaillée partielle d'un composant d'une garniture de forage ou d'une colonne de dépose selon un autre mode de réalisation. [38] La figure 1 représente un ensemble 1 pour l'exploration ou l'exploitation des puits d'hydrocarbure, comportant une table de rotation 10, un cône d'adaptation 11 20 (bowl) et des mors de serrage 12 et 12'. La table de rotation 10, ainsi que le cône d'adaptation, ont pour fonction de maintenir verticalement les composants 2 de forage ou de colonnes d'exploitation ou de dépose et éventuellement de les entraîner en rotation. Ces composants 2 sont maintenus de manière verticale et fixe au moyen du cône d'adaptation 11 et des mors 12 et 12'. 25 [039] La figure 2 représente un composant 2 qui peut aussi bien être un composant de forage ou bien un composant de colonnes d'exploitation ou de dépose. Ce compo- sant, qui admet un axe de révolution 20, comporte un corps de tige 24 qui est doté en chacune de ses extrémités d'un rengraissement 25, 25' (upset). Chacune des extrémi- tés rengraissée 25 est soudée à respectivement un premier 23 et un second 23' 30 connecteurs (tool joint). Les connecteurs sont des corps de révolution dotés d'un filetage mâle pour ce qui est du connecteur 23' et femelle pour ce qui est du connec- teur 23, dont la fonction est de raccorder les composants entre eux. Il en résulte donc deux zones de soudure 21 et 21', issues généralement d'une opération de soudage par friction. On entend par zone de soudure, la zone s'étendant de part et d'autre du plan de soudure sur une distance d'environ 10 cm et coïncidant avec la zone affectée thermiquement. Sur la surface circonférentielle du composant 2 et très exactement au niveau des zones de soudure 21 et 21', on a ménagé respectivement une première 22 et une seconde 22' gorges annulaires. On entend par gorge une zone dans laquelle le diamètre du composant 2 est réduit par rapport aux zones adjacentes. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à une géométrie de gorge particulière. [040] Préférentiellement et pour des raisons de facilité d'usinage, la gorge peut être annulaire en ce sens qu'elle représente un corps de révolution par rapport à l'axe 20. [041] La figure 3 représente une vue partielle d'un composant dédié aux garnitures de forage. Le connecteur 23 est raccordé au corps de tige 24 au moyen d'une opération de soudage donnant lieu à une zone soudée 21. Le corps de tige 24 comporte une extrémité rengraissée 25 à cet effet. Conformément aux règles de conception, l'épaisseur du composant au niveau de la zone de soudure est supérieure à l'épaisseur nominale du corps de tige. Le calcul des épaisseurs s'effectue de manière classique en prenant la différence entre le demi-diamètre extérieur et le demi-diamètre intérieur, soit (ODE' - ID,')/2 pour l'épaisseur de la zone soudée 21 et (ODp - IDp)/2 pour l'épaisseur nominale du corps de tige 24. [42] La figure 4a décrit un mode de réalisation de la gorge 22 privilégié. On retrouve un composant comportant une zone de soudure 21 raccordant un connecteur 23 à l'extrémité rengraissée 25 d'un corps de tige non représenté sur la figure. C'est une gorge annulaire de profondeur constante. [43] La figure 4b décrit un autre mode de réalisation dans lequel on retrouve un composant comportant une zone de soudure 21 raccordant un connecteur 23 à l'extrémité rengraissée 25 d'un corps de tige non représenté sur la figure. La gorge annulaire admet, suivant une coupe longitudinale selon l'axe 20 du composant, un profil courbe. Ce profil courbe admet préférentiellement la forme d'un arc de cercle, ce qui simplifie les opérations d'usinage. Le rayon R du cercle support est préférablement choisi supérieur à 200 mm. [044] Avantageusement, la demanderesse a établi des règles de conception relatives au minimum et au maximum du diamètre extérieur dans la gorge, c'est-à-dire au niveau de la zone de soudure. Plus précisément, le diamètre minimum ODwmin au droit de la soudure et au fond de la gorge s'exprime comme suit : ODwmin = IDw + 2.wtw.b Avec : - IDw : diamètre intérieur au droit de la soudure 21 (en mm) - wtw : l'épaisseur du composant au niveau de l'extrémité rengraissée 25 du corps de 5 tige 24 (en mm) - b : taux d'usure de la surface circonférentielle du composant admis, c'est-à-dire choisi pour la conception. Ceci revient à considérer que le composant doit admettre un diamètre au niveau de la gorge au moins égal à celui que l'on obtiendrait si on avait pas de gorge et si on 10 appliquait le taux d'usure à cet endroit. Ceci est motivé par le fait qu'il faut garantir une résistance en traction au moins égale à celle que l'on aurait s'il n'y avait pas de gorge et s'il y avait usure du composant à cet endroit. [045] Parallèlement, le diamètre maximum ODwmax au niveau de la soudure et au fond de la gorge s'exprime comme suit : 15 ODwmax = Dte - 2.wt.(1-b) Avec : - Dte : diamètre extérieur au niveau de l'extrémité rengraissée 25 du corps de tige 24 (en mm) - wt : l'épaisseur du composant au niveau du corps de tige 24 (en mm) 20 - b : taux d'usure de la surface circonférentielle du composant admis, c'est-à-dire choisi pour la conception. Ceci revient à considérer que le composant doit admettre un diamètre au niveau de la gorge, inférieur au diamètre que l'on observe sur l'extrémité adjacente rengraissée 25 une fois que l'on a appliqué le taux d'usure. La surface circonférentielle du composant 25 au niveau de la zone de soudure, ainsi définie reste en retrait par rapport au reste de la surface, et ce, afin de la protéger des mors de serrage 12, 12'. [46] Avantageusement, la Demanderesse préconise des règles de conception visant à ce que les contraintes de traction au niveau de la zone de soudure soient similaires à celles qui s'exerce au niveau du corps de tige et ce, après usure du composant. Ces 30 règles de conception mettent en oeuvre le principe de l'équi-résistance. [47] La traction dans la zone de soudure s'exprime comme suit :
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) < L < 25,42 / (Dte - ODWmax) 20 avec : - Dte : diamètre extérieur au niveau de l'extrémité rengraissée 25 du corps de tige 24 (en mm) - ODWmax : diamètre extérieur maximum au droit de la zone de soudure 21 (en mm) Compte tenu des dimensions appliquées actuellement aux composants, la longueur de 25 la gorge L peut être comprise préférentiellement entre Lmin 2 mm et Lmax 500 mm. [051] La Demanderesse préconise de raccorder les bords 220 de la gorge avec la surface circonférentielle du composant au moyen de chanfreins inclinés par rapport à l'axe 20 du composant selon un angle inférieur à 60°, et préférentiellement de l'ordre de 45°. [52] De même, les chanfreins peuvent avantageusement être raccordés avec le fond de la gorge au moyen d'un rayon r référencé 221, de manière à minimiser la concentration de contraintes observée au niveau des angles vifs. La Demanderesse a retenu l'encadrement préférentiel suivant : 1,6 <r<4,8 mm [53] A titre d'exemple, la Demanderesse a dimensionné des gorges sur des composants de colonnes de dépose de diamètres et de grades spécifiques. Les résultats sont regroupés dans le tableau ci-après. [54] Au travers du tableau, il apparaît que les performances au niveau de la gorge 10 sont supérieures à celles du corps de tige, en tenant compte des dimensions minimum et maximum de la gorge. Caractéristiques du corps de Performance du corps Perfor- Géométrie et performances de la gorge pour b=1 tige de tige pour b=1 mance du corps de tige pour b=0,95 ODp Grade Wt Limite Limite en Limite Dte ODwmax lDwmin Lmin Lmax Limite en en traction en traction traction dans la traction dans le zone dans le corps de soudée corps de tige tige mm Mpa mm kN kN kN mm mm mm mm mm kN 149,23 1138 19,05 8866 13195 8358 149,23 147,32 73,03 10,16 127,00 9846 149,23 1138 20,65 9493 13042 8942 149,23 147,16 66,68 10,48 123,12 10323 168,28 1034 19,05 10163 17651 8718 168,28 166,37 85,84 9,84 98,32 13086 168,28 1138 20,65 10163 17651 9590 168,28 166,37 85,85 9,84 98,32 13086 168,28 1034 20,65 10899 17655 9344 168,28 166,21 86,87 10 96,75 12954 168,28 1138 20,65 10899 17655 10278 168,28 166,21 86,87 10 96,75 12954 168,28 1138 23,83 12304 17646 11589 168,28 165,89 88,90 10,32 93,77 12688
[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.