EP0424225B1 - Riser for deep waters - Google Patents
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- EP0424225B1 EP0424225B1 EP90402864A EP90402864A EP0424225B1 EP 0424225 B1 EP0424225 B1 EP 0424225B1 EP 90402864 A EP90402864 A EP 90402864A EP 90402864 A EP90402864 A EP 90402864A EP 0424225 B1 EP0424225 B1 EP 0424225B1
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
- E21B17/01—Risers
- E21B17/012—Risers with buoyancy elements
Definitions
- the present invention relates to a riser for great depths of water.
- This column can be used either in the drilling field or in the production field.
- Drilling in very deep sea for example beyond 1,000 m and in particular 2,000 m, requires that the architecture of the current columns be reviewed.
- riser extension tube or risers
- a column allowing the transfer, in particular of fluids, between the bottom of the water and an installation which is located at a higher level, that is to say which may be located substantially on the surface of the water, or be submerged.
- the present invention provides a column capable of working at great depths overcoming the difficulties indicated above, without penalizing the efficiency or the reliability of the column too much.
- the interior volume of the riser is greater than the volume of the well itself, as soon as the water depth exceeds 1,000 m (for example, the maximum volume of the well, which under 1,246 m of water, is 164 m3, while the riser volume reaches almost 200 m3). It exceeds double or even triple this volume at 3,000 m of water depth. This is obviously not without raising serious technical and economic difficulties for the manufacture, storage, maintenance, control and treatment of the mud and, finally, nor without asking questions about the safety of such drilling.
- the riser for great depth of water comprises a central tube for transferring a fluid comprising a mud between a place located under a body of water and a point located at a level prior to said place, peripheral lines connected to said riser, an inner liner disposed inside said central tube to reduce the amount of sludge flowing in said riser, and a plurality of floats surrounding said central tube and disposed only on the top of said central tube.
- said internal lining is arranged coaxially with said central tube and has a diameter less than the diameter of said central tube so as to define an annular space between an external surface of said internal lining and an internal surface of said central tube.
- the central tube or at least one of the peripheral lines have, for example, a weight less than the weight equivalent to that of a central steel tube or of peripheral steel lines.
- the riser for great depth of water comprises a main tube or extension tube.
- the central tube and / or at least one of said peripheral lines can, for example be made at least in part from a titanium alloy and / or comprises a composite material.
- the reduction in mass can be obtained by reinforcing by hooping at least part of the central tube or at least part of at least one of the peripheral lines.
- the upper part comprises, for example, floats over a length or depth at most equal to 2,000 m.
- the upper part may include floats at a length or depth less than or equal to 2/3 of the total length of said column.
- the column consists, for example, of several elements and of bayonet type connectors connecting said elements together.
- the central tube can be constituted by the assembly of several elements and the column can comprise a path of the central tube, said path being produced by the assembly of several elements sleeving, each of said sleeving elements being suspended from a corresponding element of the central tube.
- the objective has been set to avoid the use of foam floats below about 2,000 m of water depth, depth to which their effectiveness has been demonstrated under operational conditions.
- a further reduction in the mass of the riser can be obtained according to the present invention, increasing when this is possible, the resistance of the tubes vis-à-vis the internal pressure, by means of a shrinking obtained by winding under tension around these tubes strips of composite material (glass, Keylar or carbon fibers coated in a resin thermoplastic), according to a technique described in US Pat. No. 4,514,245.
- This technique makes it possible to multiply by a factor at least equal to 2 the circumferential resistance of the tubes, without increasing their weight or, conversely, reducing their weight for a given resistance.
- the lightening of the extension tube with low density materials makes it possible to better solve the problems posed previously.
- Such lightening can be obtained by replacing all or part of the riser, the steel constituting the main tube (tubes and connectors) by the titanium alloy, for example of the Ti-6Al-4V type, three times more efficient if we consider its specific resistance (ratio of the elastic limit to the density) and, also, more resistant to fatigue and to marine and petroleum corrosion.
- French patent application FR-2,620,956 proposes a process for manufacturing titanium tubes.
- the titanium tube may be reinforced by the composite hooping in a similar manner to that described above and a steel liner, of identical design to that defined above, must be deployed over its entire length.
- This high performance architecture should allow the extension of the extension tube concept to at least 12,000 feet (3,600 m) of water depth, with the exception that the problems raised by a specific period of longitudinal vibration equal to or greater than 7 seconds do not turn out to be unacceptable.
- the reference 1 designates a surface installation, such as a ship.
- the reference 2 designates the means of fixing to the bottom of the water 3 of this column to a well head 4. This connection is made by means of a flexible joint 5.
- the column according to the invention is designated as a whole by the reference 6. In this figure the peripheral lines have not been drawn so as not to weigh down the representation.
- Column 6 has two parts.
- the first designated by the reference 7 is composed of elements 7a, 7b ... 7n equipped with floats 8.
- the second, referenced 9, does not include a float and is constituted by the assembly of elements 9a, 9b .. .9n.
- the extension tube according to the present invention comprises floats only on the highest part of the column.
- the presence of floats can be interrupted from depths greater than 2,000 m.
- the column according to the present invention, or a part of this column which does not include a float may be made of light materials, for example by the use of titanium, of composite material, or by the use of hooping based on composite material, for example using a ribbon shrinking a tube.
- the part of the extension tube fitted with a float may include floats, continuously or intermittently. Of course, the presence of floats may be interrupted in the vicinity of the surface installation.
- Figure 2 is a section along line AA of the column according to the invention. It was considered in this section that the main tube of the column was not equipped with internal lining.
- the reference 8 designates the float. This float has clearances 11 adapted to receive the peripheral lines 12. The float is fixed around the main tube 13. In this example, the peripheral lines are secured to the extension tube 13 by means of arms 14.
- Figure 3 shows a section along line BB of the column at a level where the floats 8 have been removed. Only the peripheral lines 12 remain attached to the extension tube 13 by means of arms 14.
- FIG. 4 illustrates an element of the column, the column being constituted by the assembly of several of these elements, whether or not they are fitted with floats.
- the column is produced by assembling elements already equipped with their peripheral lines.
- Reference 16 designates the element as a whole.
- This element has two ends 17 and 18.
- the references 19, 20 and 21 designate peripheral lines which are assembled to the central tube 22 by means of fixing means which may include flanges (not shown), plates 23 and collars 40.
- the element represented in FIG. 4 comprises floats 8.
- the assembly of the two adjacent elements is done by the connectors which can be of the bayonet type 24 and 25.
- the assembly of two adjacent elements connects the peripheral lines between- them, by joining the ends 26, 27 and 28 to the adjacent ends of the peripheral lines corresponding to the ends 29, 30 and 31.
- FIG. 5 represents a section of an element making up the column according to the invention.
- peripheral lines bear the references 32, 33 and 34. These peripheral lines are connected to the element of the central tube 35 by means of arms 36, 37 and 38.
- the element of the extension tube 35 is reinforced by a hooping 39 which can be produced according to the teachings of American patent N. 4,514,245.
- FIGS. 1 to 5 The embodiment bringing together all the elements represented in FIGS. 1 to 5 makes it possible to carry out operations of drilling or production for water depths greater than 2,300 m.
- Such an embodiment combines the three characteristics which make it possible to reach such operating depths.
- the hooping 39 makes it possible to have elements of the light extension tube having good mechanical performance, in particular to the pressure differences existing between the internal part of these elements and the ambient medium.
- the elements of the extension tube are made of low density materials, such as titanium, or by making them using composite materials, in particular with an organic matrix reinforced by fiberglass, or Keylar, carbon wires.
- only a part of the column may include an extension tube, or peripheral lines reinforced by hooping. Indeed, it is towards the greatest depths that such arrangements are necessary.
- composition of the riser was defined after a general study, static and dynamic, of the stresses in the main tube. Its main characteristics are given in the table below.
- the angle at the foot of the riser is kept within the limit of 2 ° set by the API if the head offset does not exceed 1% of the water depth and if the current was not very violent. Otherwise, an additional tension of a few tens of tonnes should be applied.
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Description
La présente invention concerne une colonne montante pour grandes profondeurs d'eau. Cette colonne peut être utilisée soit dans le domaine du forage, soit dans le domaine de la production.The present invention relates to a riser for great depths of water. This column can be used either in the drilling field or in the production field.
La réalisation de forages en mer très profonde, par exemple au-delà de 1.000 m et notamment de 2.000 m, nécessite que soit revue l'architecture des colonnes actuelles.Drilling in very deep sea, for example beyond 1,000 m and in particular 2,000 m, requires that the architecture of the current columns be reviewed.
La difficulté soulevée par le transport, la manutention, le stockage et la mise en oeuvre d'un très grand nombre d'éléments composant cette colonne, la résistance des tubes des connecteurs et des flotteurs soumis à des sollicitations statiques et dynamiques très élevées et parfois difficile à connaître, la fabrication, l'emploi et la maintenance d'un très grand volume de boue, réduirait en effet dans une large mesure l'efficacité, la fiabilité et la sécurité du système de forage et des opérations.The difficulty raised by the transport, handling, storage and implementation of a very large number of elements making up this column, the resistance of the connector tubes and the floats subjected to very high static and dynamic stresses and sometimes difficult to know, the manufacture, use and maintenance of a very large volume of mud, would indeed reduce to a large extent the efficiency, reliability and safety of the drilling system and operations.
Par les termes de colonne montante, tube prolongateur ou risers, on entend une colonne permettant le transfert, notamment de fluides, entre le fond de l'eau et une installation qui est située à un niveau supérieur, c'est-à-dire qui peut être située sensiblement à la surface de l'eau, ou être immergée.By the terms of riser, extension tube or risers, is meant a column allowing the transfer, in particular of fluids, between the bottom of the water and an installation which is located at a higher level, that is to say which may be located substantially on the surface of the water, or be submerged.
La présente invention fournit une colonne capable de travailler par de grandes profondeurs en surmontant les difficultés indiqués précédemment, sans trop pénaliser l'efficacité, ou la fiabilité de la colonne.The present invention provides a column capable of working at great depths overcoming the difficulties indicated above, without penalizing the efficiency or the reliability of the column too much.
On peut observer, depuis quelques années, la tendance constante des opérateurs à augmenter le diamètre du riser (16˝ -18 5/8˝ - 21˝) et la pression de service (série 10.000 - 15.000) des BOP, ceci allant de pair avec l'emploi de boue de densité élevée (densité maximale considérée dans cette étude : 17ppg soit 2,03). Cette évolution, justifiée par des raisons de sécurité et d'efficacité, est particulièrement pénalisante pour la tenue du tube prolongateur.We can observe, for a few years, the constant tendency of operators to increase the diameter of the riser (16˝ -18 5 / 8˝ - 21˝) and the working pressure (series 10.000 - 15.000) of BOP, this going hand in hand. with the use of high density mud (maximum density considered in this study: 17ppg or 2.03). This development, justified for reasons of safety and efficiency, is particularly penalizing for the holding of the extension tube.
Les problèmes liés au dimensionnement statique du riser apparaissent lorsque l'on dimensionne une colonne dépassant 1.000 m selon l'art antérieur.The problems associated with the static dimensioning of the riser appear when dimensioning a column exceeding 1,000 m according to the prior art.
On constate que le volume intérieur du riser est plus grand que le volume du puits lui-même, dès que la profondeur d'eau dépasse 1.000 m (par exemple, le volume maximal du puits, qui sous 1.246 m d'eau, est de 164 m3, alors que le volume du riser atteint près de 200 m3). Il dépasse le double, voire le triple de ce volume à 3.000 m de profondeur d'eau. Cela n'est évidemment pas sans soulever de graves difficultés, techniques et économiques, pour la fabrication, le stockage, la maintenance, le contrôle et le traitement de la boue et, finalement, ni sans poser de question sur la sécurité de tels forages.It is noted that the interior volume of the riser is greater than the volume of the well itself, as soon as the water depth exceeds 1,000 m (for example, the maximum volume of the well, which under 1,246 m of water, is 164 m3, while the riser volume reaches almost 200 m3). It exceeds double or even triple this volume at 3,000 m of water depth. This is obviously not without raising serious technical and economic difficulties for the manufacture, storage, maintenance, control and treatment of the mud and, finally, nor without asking questions about the safety of such drilling.
Comme le poids apparent de cette boue doit être entièrement supporté par les tensionneurs, il en résulte une tension en tête de riser d'autant plus grande que la profondeur d'eau est grande, même si le poids propre du riser est nul (dans l'eau).As the apparent weight of this sludge must be fully supported by the tensioners, this results in a riser head tension which is greater the greater the water depth, even if the riser's own weight is zero (in the 'water).
Ceci a pour conséquence de nécessiter, d'une part, l'installation à bord des unités de surface d'une capacité de tensionnement suffisante, compte-tenu des recommandations formulées dans les normes en vigueur à ce jour (standard API RP 2Q) et, d'autre part, l'emploi de tubes plus épais en partie supérieure du riser afin que les contraintes y restent limitées à des valeurs admissibles.This has the consequence of requiring, on the one hand, the installation on board of the surface units of a sufficient tensioning capacity, taking into account the recommendations formulated in the standards in force to date (API RP 2Q standard) and , on the other hand, the use of thicker tubes in the upper part of the riser so that the stresses there remain limited to admissible values.
Un tel dimensionnement montre que le rapport entre la tension minimale nécessaire en tête et la capacité de tensionnement disponible dépasserait, dans de nombreux cas, les 71 % autorisés par le standard API RP 2Q, alors même que le poids apparent du riser aurait été pris égal à 0, ce qui n'est ni conforme à la réalité, ni souhaitable, comme on le verra plus loin.Such sizing shows that the ratio between the minimum tension required at the top and the tensioning capacity available would, in many cases, exceed the 71% authorized by API RP 2Q standard, even though the apparent weight of the riser would have been taken equal to 0, which is neither true to reality nor desirable, as we will see below.
Enfin, la pression différenteille engendrée, dans la partie basse du riser, par l'écart entre la densité maximale de la boue (dmud = 2,03) et celle de l'eau de mer (dsw = 1,03) nécessite, là aussi, l'emploi de tubes très résistants.Finally, the different pressure generated, in the lower part of the riser, by the difference between the maximum density of the mud (d mud = 2.03) and that of the sea water (d sw = 1.03) requires , here too, the use of very resistant tubes.
Ces observations illustrent, en fait, les difficultés que soulève le simple dimensionnement statique du riser du fait de l'augmentation du poids et de la pression de la boue qui y est contenue lorsque la profondeur d'eau s'accroît. On pourrait penser qu'il suffit, pour les surmonter, de recourir à des tubes suffisamment épais et à des connecteurs assez résistants. Ceci n'est malheureusement pas exact par suite des conséquences que cela aurait sur les flotteurs, d'une part et de l'aggravation du comportement dynamique du riser qui en résulterait, d'autre part.These observations illustrate, in fact, the difficulties raised by the simple static dimensioning of the riser due to the increase in weight and pressure of the sludge contained therein when the water depth increases. One might think that it is enough, to overcome them, to use sufficiently thick tubes and fairly resistant connectors. This is unfortunately not correct due to the consequences that this would have on the floats, on the one hand and the worsening of the dynamic behavior of the riser which would result from it, on the other hand.
En ce qui concerne les problèmes liés aux flotteur, les observations suivantes peuvent être faites :
- 1) Les tensions minimales en tête mentionnées ci-dessus ont été déterminées, comme on l'a dit, en supposant que le poids dans l'eau des éléments de riser était nul. Une telle hypothèse implique qu'une quantité suffisante de flotteurs leur soit attachée pour compenser complètement le poids des tubes et des connecteurs qui les constituent.
- 2) Or, on sait que la densité des flotteurs en mousse syntactique qui équipent habituellement les éléments de riser est d'autant plus élevée que la profondeur d'eau (et, par conséquent, la pression hydrostatique à laquelle ils doivent résister) est grande. Au-delà de 2.000 m (200 bar), la tenue de ces flotteurs n'est d'ailleurs pas prouvée et les coûts de développement, de qualication et d'approvisionnement correspondants risquent d'être très élevés.
- 3) D'autre part, le diamètre extérieur des flotteurs doit être inférieur à une certaine valeur, de l'ordre de 1,2 m (47 pouces), pour permettre leur passage dans la table de rotation 125,7 cm (49 1/2 pouces) pendant les manoeuvres du riser. Le volume des flotteurs et, par conséquent, la flottabilité induite sont donc physiquement limités. Ainsi, il existe dans la pratique une profondeur au-delà de laquelle les mousses syntactiques ne permettent plus de compenser complètement le poids du riser, le manque de flottabilité devant alors être compensé par une plus grande capacité installée de tensionnement. Cette profondeur peut être estimée à environ 2.000 m.
- 1) The minimum head voltages mentioned above were determined, as said, by assuming that the weight in water of the riser elements was zero. Such an assumption implies that a sufficient quantity of floats is attached to them to completely compensate for the weight of the tubes and connectors which constitute them.
- 2) However, we know that the density of the syntactic foam floats which usually equip riser elements is higher the greater the water depth (and, consequently, the hydrostatic pressure which they must resist) . Beyond 2,000 m (200 bar), the behavior of these floats has not been proven, and the corresponding development, qualification and supply costs are likely to be very high.
- 3) On the other hand, the outside diameter of the floats must be less than a certain value, of the order of 1.2 m (47 inches), to allow their passage in the rotation table 125.7 cm (49 1/2 inches) during riser maneuvers. The volume of the floats and, consequently, the induced buoyancy are therefore physically limited. Thus, in practice there is a depth beyond which the syntactic foams no longer make it possible to completely compensate for the weight of the riser, the lack of buoyancy then having to be compensated for by a greater installed tensioning capacity. This depth can be estimated at around 2,000 m.
En ce qui concerne les problèmes liés au comportement dynamique du riser, plusieurs facteurs concourent à la détérioration du comportement dynamique des risers lorsque la profondeur d'eau augmente :
- 1) Lorsque le riser, connecté à la tête de puits, est soutenu par les câbles à tension constante d'un système d'anti-pillonnement, on constate que la réponse dynamique de celui-ci est d'autant moins bonne que la tension appliquée est plus grande. En d'autres termes, pour une densité de boue donnée, la raideur du système croît avec la profondeur d'eau. Il s'ensuit, à pilonnement constant, une augmentation de l'amplitude des oscillations de la tension (autour de la tension moyenne) dans toutes les sections du riser qui doit être prise en compte dans les calculs de tenue en fatigue des tubes et des connecteurs.
- 2) Mais c'est lorsque le riser, non connecté à la tête de puits, est suspendu sous le support flottant sans découplage des mouvements de pilonnement relatifs de ce riser et du support en cas de tempête ou de manoeuvre, que la situation est la plus préoccupante. L'accroissement de la longueur du riser provoque, en effet, une augmentation au moins proportionnelle de sa masse. Si, de plus, on considère que, d'une part, les tubes et les connecteurs doivent, pour les raisons exprimées plus haut, être plus résistants et donc plus lourds et que, d'autre part, les flotteurs qui leurs sont adjoints ont une densité d'autant plus élevée que la pression hydrostatique ambiante à laquelle ils doivent résister est grande, on conçoit que le facteur de proportionnalité est, en fait, supérieure à 1.
Cette augmentation rapide de la masse du riser quand la profondeur d'eau augmente provoque l'émergence de deux phénomènes, peu importants et souvent négligés pour les profondeurs d'eau faibles et moyennes. Ces phénomènes peuvent alors conditionner le dimensionnement et leurs caractéristiques, leurs causes et leurs effets doivent être étudiés avec soin :- . L'accroissement des surtensions dues à l'inertie du riser au cours des grandes tempêtes peut provoquer le détensionnement, partiel ou total, de la partie supérieure du riser et y induire, en corrélation avec les autres mouvements (cavalement, embardée) et l'action directe de la houle, des contraintes de flexion rédhibitoires.
- . L'élévation de la période propre en vibrations longitudinales au-delà des valeurs pour lesquelles l'amplitude du pilonnement est nulle, pourrait limiter considérablement, même par temps relativement calme, les opérations de manoeuvre du riser en raison des risques qu'elles présenteraient.
- 1) When the riser, connected to the wellhead, is supported by the constant voltage cables of an anti-pillaging system, we see that the dynamic response of the latter is all the less good as the voltage applied is greater. In other words, for a given mud density, the stiffness of the system increases with the depth of water. It follows, with constant heaving, an increase in the amplitude of the oscillations of the tension (around the average tension) in all the sections of the riser which must be taken into account in the calculations of fatigue resistance of the tubes and connectors.
- 2) But it is when the riser, not connected to the wellhead, is suspended under the floating support without decoupling the relative heaving movements of this riser and the support in the event of a storm or maneuver, that the situation is the more worrying. The increase in the length of the riser in fact causes an at least proportional increase in its mass. If, moreover, it is considered that, on the one hand, the tubes and connectors must, for the reasons expressed above, be more resistant and therefore heavier and that, on the other hand, the floats which are attached to them have the higher the density, the higher the ambient hydrostatic pressure which they have to withstand, we can see that the proportionality factor is, in fact, greater than 1.
This rapid increase in the mass of the riser when the water depth increases causes the emergence of two phenomena, unimportant and often overlooked for shallow and medium water depths. These phenomena can then condition the dimensioning and their characteristics, their causes and their effects must be carefully studied:- . The increase in overvoltages due to the inertia of the riser during major storms can cause the stress relieving, partial or total, of the upper part of the riser and induce there, in correlation with the other movements (cavally, swerve) and the direct swell action, unacceptable bending stresses.
- . The elevation of the natural period in longitudinal vibrations beyond the values for which the amplitude of the heaving is zero, could considerably limit, even in relatively calm weather, the operations of maneuvering the riser because of the risks that they would present.
Les problèmes liés au contrôle des éruptions et à la sécurité du forage sont, en définitive, de moindre importance sur la conception et le dimensionnement du riser par rapport à la situation existante pour les profondeurs d'eau moindres. Les principales contraintes dans ce domaine, lorsque la profondeur d'eau s'accroît, sont les suivantes :
- 1) La pression de service des lignes de sécurité ("Kill and choke lines"), portée à 1.050 bar (15.000 psi), nécessite des tubes plus épais qui contribuent à augmenter le poids du riser et, par conséquent, à accroître les problèmes liés à son comportement dynamique (voir ci-dessus).
- 2) L'augmentation des pertes de charges induites dans ces lignes au cours des opérations de contrôle des éruptions rendent ces dernières plus délicates et périlleuses à effectuer.
- 3) L'éloignement de la tête de puits et la pression intense qui y règne rendent plus difficile à déceler la présence éventuelle de gaz dans le puits et à agir en conséquence, en fermant à temps les vannes des obturateurs. La présence de quantités notables de gaz dans le tube central du riser devient donc plus probable.
- 4) Cela se traduit par la nécessité renforcée d'utiliser des matériaux parfaitement résistants à la corrosion provoquée par les effluents pétroliers, en particulier par l'hydrogène sulfuré H₂S.
- 5) Il en résulte aussi le risque de voir ce gaz, une fois décomprimé, emplir partiellement ou complètement l'intérieur du tube principal dont la paroi, insuffisamment épaisse pour résister à la compression hydrostatique qui s'ensuivrait, ne permettrait pas d'éviter l'écrasement (collapse).
- 1) The working pressure of the safety lines ("Kill and choke lines"), brought to 1.050 bar (15.000 psi), requires thicker tubes which contribute to increase the weight of the riser and, consequently, to increase the problems related to its dynamic behavior (see above).
- 2) The increase in pressure losses induced in these lines during eruption control operations makes them more difficult and dangerous to carry out.
- 3) The distance from the well head and the intense pressure which reigns there make it more difficult to detect the possible presence of gas into the well and act accordingly, closing the shutter valves in time. The presence of significant quantities of gas in the central tube of the riser therefore becomes more likely.
- 4) This results in the reinforced need to use materials which are perfectly resistant to corrosion caused by petroleum effluents, in particular by hydrogen sulphide H₂S.
- 5) It also results in the risk of seeing this gas, once decompressed, partially or completely fill the interior of the main tube whose wall, insufficiently thick to withstand the hydrostatic compression which would ensue, would not make it possible to avoid the crash.
Le dernier type de problèmes évoqué concerne la difficulté qu'il y a à stocker sur le pont des supports flottants le grand nombre d'éléments composant le riser lorsque sa longueur augmente. Plusieurs facteurs doivent être considérés :
- 1) La résistance de la structure de la plate-forme, sous les aires de stockage, doit être suffisante pour supporter la masse totale de ces éléments (voir ci-dessus).
- 2) Le volume occupé par les éléments, compte-tenu de la dimension des flotteurs, doit être compatible avec les emplacements disponibles et avec la stabilité navale de l'appareil.
- 3) Le rangement et la manutention du riser doivent permettre la mise en oeuvre, selon un ordre précisément établi, d'éléments de caractéristiques différentes (épaisseur du tube central, densité des flotteurs...) d'autant plus nombreuses (4 ou 5) que la profondeur de l'eau est plus grande. L'utilisation des moyens de manutention automatique des éléments du riser, de plus en plus répandus sur les appareils modernes, doit aussi être considérée.
- 1) The strength of the platform structure, under the storage areas, must be sufficient to support the total mass of these elements (see above).
- 2) The volume occupied by the elements, taking into account the size of the floats, must be compatible with the available locations and with the naval stability of the aircraft.
- 3) The storage and handling of the riser must allow the implementation, in a precisely established order, of elements of different characteristics (thickness of the central tube, density of the floats ...) all the more numerous (4 or 5 ) that the depth of the water is greater. The use of means for automatic handling of riser elements, which are more and more widespread on modern devices, must also be considered.
Le document US 3.768.842 décrit un riser ou colonne montante de faible poids, et plus particulièrement la structure de joints conférant à ces derniers un poids inférieur au poids des joints habituellement utilisés dans la technique habituelle. Ces joints sont constitués, notamment, d'un tube formé de fibres de verre noyées dans une résine et d'un chemisage interne résistant à l'abrasion et à la corrosion, ce chemisage interne étant lié au tube.The document US Pat. No. 3,768,842 describes a riser or riser of low weight, and more particularly the structure of seals giving them a lower weight than the weight of the seals usually used in the usual technique. These joints consist, in particular, of a tube formed of glass fibers embedded in a resin and of an internal lining resistant to abrasion and to corrosion, this internal lining being linked to the tube.
Le document EP 236 722 enseigne la réalisation d'une colonne montante en matériau composite pour alléger son poids.Document EP 236 722 teaches the production of a riser made of composite material to lighten its weight.
La colonne montante pour grande profondeur d'eau selon l'invention comporte un tube central pour transférer un fluide comprenant une boue entre un endroit situé sous une masse d'eau et un point situé à un niveau antérieur audit endroit, des lignes périphériques reliées à ladite colonne montante, un chemisage interne disposé à l'intérieur dudit tube central pour réduire la quantité de boue circulant dans ladite colonne montante, et une pluralité de flotteurs entourant ledit tube central et disposés uniquement sur la partie supérieure dudit tube central. Elle est caractérisée en ce que ledit chemisage interne est disposé de manière coaxiale audit tube central et possède un diamètre inférieur au diamètre dudit tube central de manière à définir un espace annulaire entre une surface externe dudit chemisage interne et une surface interne dudit tube central.The riser for great depth of water according to the invention comprises a central tube for transferring a fluid comprising a mud between a place located under a body of water and a point located at a level prior to said place, peripheral lines connected to said riser, an inner liner disposed inside said central tube to reduce the amount of sludge flowing in said riser, and a plurality of floats surrounding said central tube and disposed only on the top of said central tube. It is characterized in that said internal lining is arranged coaxially with said central tube and has a diameter less than the diameter of said central tube so as to define an annular space between an external surface of said internal lining and an internal surface of said central tube.
Le tube central ou l'une au moins des lignes périphériques ont, par exemple, un poids inférieur au poids équivalent à celui d'un tube central en acier ou de lignes périphériques en acier.The central tube or at least one of the peripheral lines have, for example, a weight less than the weight equivalent to that of a central steel tube or of peripheral steel lines.
La colonne montante pour grande profondeur d'eau selon l'invention comporte un tube principal ou tube prolongateur.The riser for great depth of water according to the invention comprises a main tube or extension tube.
Le tube central et/ou l'une au moins desdites lignes périphériques peut, par exemple être réalisé en partie au moins en un alliage de titane et/ou comporte un matériau composite.The central tube and / or at least one of said peripheral lines can, for example be made at least in part from a titanium alloy and / or comprises a composite material.
La réduction de masse peut être obtenue par renforcement par frettage d'une partie au moins du tube central ou d'une partie au moins de l'une au moins des lignes périphériques.The reduction in mass can be obtained by reinforcing by hooping at least part of the central tube or at least part of at least one of the peripheral lines.
La partie supérieure comporte, par exemple, des flotteurs sur une longueur ou profondeur au plus égale à 2.000 m.The upper part comprises, for example, floats over a length or depth at most equal to 2,000 m.
La partie supérieure peut comporter des flotteurs a une longueur ou profondeur inférieure ou égale au 2/3 de la longueur totale de ladite colonne.The upper part may include floats at a length or depth less than or equal to 2/3 of the total length of said column.
La colonne est constituée, par exemple, de plusieurs éléments et de connecteurs de type à baïonnette reliant lesdits éléments entre eux.The column consists, for example, of several elements and of bayonet type connectors connecting said elements together.
Le tube central peut être constitué par l'assemblage de plusieurs éléments et la colonne peut comporter un cheminage du tube central, ledit cheminage étant réalisé par l'assemblage de plusieurs éléments de chemisage, chacun desdits éléments de chemisage étant suspendu à un élément correspondant du tube central.The central tube can be constituted by the assembly of several elements and the column can comprise a path of the central tube, said path being produced by the assembly of several elements sleeving, each of said sleeving elements being suspended from a corresponding element of the central tube.
Ainsi, le chemisage interne du tube central est traité non plus comme un tubage descendu dans le riser, mais comme une ligne interne de chaque élément du riser, mise en place au fur et à mesure de la descente de celui-ci, et permet de résoudre la plupart de ces difficultés comme décrit dans la demande française déposée au nom de l'institut Français du Pétrole le 7 août 1989 et qui fait partie de la présente demande.
- 1) Fiabilité du montage mécanique et de l'étanchéité entre deux tubes consécutifs qui s'obtient par simple emboîtement.
- 2) De par cette conception, le chemisage n'est dimensionné que pour une différence de pression entre l'intérieur du tube et l'espace annulaire. Il ne travaille pratiquement pas en traction et est peu sollicité dynamiquement. Son poids est donc réduit, et cela d'autant plus que des matériaux de flottabilité (mousses syntactiques par exemple) peuvent être placés dans l'espace annulaire.
- 3) Ce type de chemisage ne nécessite aucun tensionnement, ni vissage ou serrage de connecteurs lors de sa mise en oeuvre dans le riser qui devient très simple et rapide.
- 4) Comportement mécanique de l'ensemble "riser/cheminage" peut, à tout moment, être optimisé en modifiant la nature et la pression du fluide emplissant l'espace annulaire, grâce aux lignes de communication haute et basse prévues à cet effet.
- 5) En cas d'intervention sur les obturateurs de sécurité BOP (Blow Out Preventers) nécessitant la remontée du riser alors que le chemisage est en place à l'intérieur, il est possible de remonter, de stocker et de redescendre simultanément le riser et le chemisage, ces opérations pouvant donc être effectuées sans perte de temps supplémentaire.
- 1) Reliability of the mechanical assembly and of the seal between two consecutive tubes which is obtained by simple interlocking.
- 2) By this design, the liner is dimensioned only for a pressure difference between the interior of the tube and the annular space. It practically does not work in traction and is little dynamically stressed. Its weight is therefore reduced, and all the more so since buoyancy materials (syntactic foams for example) can be placed in the annular space.
- 3) This type of liner does not require any tensioning, nor screwing or tightening of connectors during its implementation in the riser which becomes very simple and rapid.
- 4) Mechanical behavior of the "riser / path" assembly can, at any time, be optimized by modifying the nature and the pressure of the fluid filling the annular space, thanks to the high and low communication lines provided for this purpose.
- 5) In the event of intervention on the BOP (Blow Out Preventers) safety shutters requiring the riser to be raised while the liner is in place inside, it is possible to simultaneously raise, store and lower the riser and the lining, these operations can therefore be carried out without loss of additional time.
Dans la pratique, l'emploi du chemisage ne devient nécessaire qu'à partir d'une certaine profondeur d'eau, dépendant des données particulières du cas considéré, mais qui est de l'ordre de 2.000 m. Il serait pris en compte de la façon suivante dans le dimensionnement statistique du riser :
- dimensionnement du tube central au tube prolongateur pour un fonctionnement sans chemisage et la tension en tête disponible, compte tenu d'une densité de boue compatible avec la réalisation des premières phases de forage (
jusqu'à 44,5 cm, soit 17 1/2˝), - dimensionnement du tube central pour un fonctionnement avec chemisage et la densité de boue la plus lourde demandée pour la réalisation des phases de forage en petit diamètre,
- le dimensionnement finalement retenu serait le plus performant des deux ainsi obtenus.
- dimensioning of the central tube to the extension tube for an operation without lining and the head tension available, taking into account a mud density compatible with the realization of the first drilling phases (up to 44.5 cm, that is 17 1/2 ˝),
- dimensioning of the central tube for operation with lining and the heaviest mud density required for carrying out the drilling phases in small diameter,
- the dimensioning finally selected would be the more efficient of the two thus obtained.
Un des avantages induits par l'emploi du chemisage est, comme on l'a vu, de dégager une capacité de tensionnement, employée jusqu'alors pour soutenir le poids de la boue, qui s'ajoute à celle résultant de l'augmentation prévue du nombre de tensionneurs devant équiper l'appareil de forage lorsque sa profondeur d'eau d'intervention augmente. Cette capacité de tensionnement supplémentaire peut être mise à profit pour supprimer les flotteurs dans la partie inférieure du riser, ce qui présente de nombreux avantages :
- 1) Non-emploi des flotteurs dans les profondeurs d'eau où ils sont les moins performants, les plus coûteux et où leur diamètre serait supérieur au diamètre de passage dans la table de rotation.
- 2) Diminution substantielle de la masse totale du riser contribuant à résoudre les problèmes liés au comportement dynamique (diminution des surtensions) et au stockage.
- 3) Augmentation du poids dans l'eau du riser, complétant l'effet précédent pour résoudre efficacement et de manière entièrement fiable, puisque passive, les difficultés soulevées par le comportement dynamique (augmentation de la tension moyenne).
- 1) Non-use of floats in water depths where they are the least efficient, the most expensive and where their diameter is greater than the diameter of passage in the rotation table.
- 2) Substantial reduction in the total mass of the riser helping to solve the problems linked to dynamic behavior (reduction of overvoltages) and storage.
- 3) Increase in the weight in the riser water, supplementing the previous effect to solve effectively and in a completely reliable manner, since passive, the difficulties raised by the dynamic behavior (increase in the average tension).
Dans la pratique, on s'est fixé comme objectif d'éviter l'emploi des flotteurs en mousse au dessous de 2.000 m de profondeur d'eau environ, profondeur jusqu 'à laquelle leur efficacité a été démontrée dans des conditions opérationnelles.In practice, the objective has been set to avoid the use of foam floats below about 2,000 m of water depth, depth to which their effectiveness has been demonstrated under operational conditions.
Une diminution supplémentaire de la masse du riser peut être obtenue selon la présente invention, en augmentant quand cela est possible, la résistance des tubes vis-à-vis de la pression interne, au moyen d'un frettage obtenu en enroulant sous tension autour de ces tubes des bandes en matériau composite (fibres de verre, de Keylar ou de carbone enrobées dans une résine thermoplastique), selon une technique décrite dans le brevet US-4.514.245. Cette technique permet de multiplier par un facteur au moins égal à 2 la résistance circonférentielle des tubes, sans augmenter leur poids ou, inversement, de réduire leur poids pour une résistance donnée.A further reduction in the mass of the riser can be obtained according to the present invention, increasing when this is possible, the resistance of the tubes vis-à-vis the internal pressure, by means of a shrinking obtained by winding under tension around these tubes strips of composite material (glass, Keylar or carbon fibers coated in a resin thermoplastic), according to a technique described in US Pat. No. 4,514,245. This technique makes it possible to multiply by a factor at least equal to 2 the circumferential resistance of the tubes, without increasing their weight or, conversely, reducing their weight for a given resistance.
Le principe de fonctionnement des tubes frettés peut être illustré en considérant l'évolution des contraintes circonférentielles dans le tube en acier et dans le frettage en composite lorsque la pression interne augmente de 0 jusqu'à l'éclatement. Quatre phases principales peuvent être décrites :
- 1) Sous pression nulle, la précontrainte induite dans le tube en acier par les rubans, est d'autant plus grande (en valeur absolue) que la tension d'enroulement et le nombre de couches sont eux-mêmes grands. Ceci permet d'ajuster, au stade de la fabrication, la valeur de la précontrainte au strict besoin justifié par les conditions de service des tubes.
- 2) Lorsque la pression augmente, les contraintes dans les deux constituants du tube s'accroissent linéairement, mais en général beaucoup plus rapidement dans l'acier que dans le composite en raison des raideurs différentes des deux matériaux. Cette phase se poursuit jusqu'à ce que la contrainte dans le tube en acier atteigne la limite élastique.
- 3) Au-delà du franchissement de la limite élastique dans l'acier, c'est le frettage composite qui reprend la plus grande partie des efforts supplémentaires et qui "retient" le tube en acier, empèchant son éclatement qui interviendrait très rapidement en son absence. Cette phase se poursuit jusqu'à la rupture des rubans qui, eux, ne possèdent pas de domaine plastique.
- 4) L'éclatement final intervient dès la rupture des rubans, le tube en acier étant bien entendu incapable de supporter la pression à lui tout seul.
- 1) At zero pressure, the prestressing induced in the steel tube by the ribbons, is all the greater (in absolute value) the greater the winding tension and the number of layers. This makes it possible to adjust, at the manufacturing stage, the value of the prestress to the strict need justified by the conditions of service of the tubes.
- 2) When the pressure increases, the stresses in the two components of the tube increase linearly, but in general much faster in steel than in composite due to the different stiffnesses of the two materials. This phase continues until the stress in the steel tube reaches the elastic limit.
- 3) Beyond the crossing of the elastic limit in steel, it is the composite hooping which takes up most of the additional efforts and which "retains" the steel tube, preventing its bursting which would intervene very quickly in its absence. This phase continues until the ribbons, which do not have a plastic domain, are broken.
- 4) The final burst occurs as soon as the ribbons break, the steel tube of course being incapable of withstanding the pressure on its own.
Par rapport à un tube classique en acier, le domaine d'utilisation du matériau en terme de contraintes est donc élargi dans les deux directions :
- Vers les valeurs négatives (effet de précontrainte), le zéro d'origine étant décalé (de - 322 MPa dans l'exemple précédent). En fait, cela revient à augmenter artificiellement la limite élastique de l'acier sans soulever les problèmes habituels des aciers à haute résistance (mauvaise soudabilité, tenue médiocre à la corrosion et en fatigue, mise en oeuvre délicate, coût élevé). Dans l'exemple précédent, la limite élastique apparente serait supérieure à 760 MPa, alors que la valeur réelle n'est que 437 MPa (acier X65).
- Au-delà de la limite élastique de l'acier, on a vu qu'il existait une marge importante avant l'éclatement des tubes (effet d'autofrettage) qui peut être mise à profit pour optimiser leur dimensionnement. Ainsi, contrairement aux critères utilisés habituellement, il est possible d'utiliser la quasi-totalité du domaine élastique de l'acier pour le fonctionnement en service ou en test des tubes, le facteur de sécurité nécessaire, parfois imposé par les règlements, étant induit par l'effet d'auto-frettage. Ainsi, dans l'exemple précédent, on s'est arrangé pour que la contrainte à la pression de test (1.575 bar) ne soit que légèrement inférieure à la limite élastique, un facteur de 1,5 existant encore avant l'éclatement (2.350 bar), alors que sans frettage, il ne serait pas possible, dans des conditions identiques, de dépasser 70 % de cette même limite élastique.
- Towards negative values (prestressing effect), the original zero being shifted (from - 322 MPa in the previous example). In fact, this amounts to artificially increasing the elastic limit of the steel without raising the usual problems of high-strength steels (poor weldability, poor resistance to corrosion and fatigue, delicate processing, high cost). In the previous example, the apparent elastic limit would be greater than 760 MPa, while the real value is only 437 MPa (X65 steel).
- Beyond the elastic limit of the steel, we have seen that there is a large margin before the tubes burst (autofrettage effect) which can be used to optimize their dimensioning. Thus, contrary to the criteria usually used, it is possible to use almost all of the elastic range of the steel for operation in service or in test of the tubes, the necessary safety factor, sometimes imposed by regulations, being induced by the auto-frettage effect. Thus, in the previous example, we arranged that the stress at the test pressure (1,575 bar) is only slightly lower than the elastic limit, a factor of 1.5 still existing before the burst (2.350 bar), while without hooping, it would not be possible, under identical conditions, to exceed 70% of this same elastic limit.
Cette technique de renforcement par frettage composite des tubes travaillant à la pression interne sera largement utilisée pour l'architecture des risers. On prévoit, en particulier, de l'employer pour la constitution des tubes suivants :
- 1) Les lignes de sécurité ("kill and choke lines") dont la pression de service de 1.050 bar nécessiterait l'emploi de tubes en acier de 1˝ (25,4 mm) d'épaisseur. Celle-ci peut être ramenée à 10 mm (du même acier) grâce au frettage composite. Leur poids total (embouts compris) est ainsi divisé
par un facteur 2 en même temps que leur diamètre intérieur des tubes est sensiblement augmenté (94 mm au lieu de 76 mm) afin de faciliter le contrôle des éruptions et de contribuer à améliorer la sécurité des forages. - 2) Le tube principal dans la partie inférieure du riser, de façon à lui donner une résistance suffisante pour que, sans augmenter l'épaisseur d'acier, les contraintes circonférentielles n'y dépassent pas la limite fixée par API RP 2Q. La méthodologie employée pour le dimensionnement de ce tube dans la suite de l'étude sera la suivante :
- . détermination de l'épaisseur du tube principal en acier du seul point de vue des contraintes longitudinales, statiques et dynamiques, de traction et de flexion,
- . détermination des caractéristiques du frettage composite pour donner à ces tubes une résistance suffisante vis-à-vis de la pression interne,
- . vérification du niveau admissible des contraintes combinées de Von Mises.
- 3) La méthode sera appliquée à la partie inférieure des tubes de chemisage, à la différence près que, dans le concept proposé, ceux-ci n'ont pas à être dimensionnés pour résister à la traction qui y est très faible. L'épaisseur du tube en acier peut donc être réduite au minimum compatible avec les impératifs opérationnels et industriels.
- 1) Safety lines ("kill and choke lines") whose operating pressure of 1.050 bar would require the use of steel tubes 1˝ (25.4 mm) thick. This can be reduced to 10 mm (of the same steel) thanks to the composite hooping. Their total weight (end caps included) is thus divided by a factor of 2 at the same time as their inner diameter of the tubes is significantly increased (94 mm instead of 76 mm) in order to facilitate the control of blowouts and to contribute to improving the safety of drilling.
- 2) The main tube in the lower part of the riser, so as to give it sufficient strength so that, without increasing the thickness of steel, the circumferential stresses do not exceed the limit fixed by API RP 2Q. The methodology used for the sizing of this tube in the rest of the study will be as follows:
- . determination of the thickness of the main steel tube solely from the point of view of longitudinal, static and dynamic, tensile and bending stresses,
- . determination of the characteristics of the composite hooping in order to give these tubes sufficient resistance to internal pressure,
- . verification of the admissible level of the combined constraints of Von Mises.
- 3) The method will be applied to the lower part of the lining tubes, with the difference that, in the proposed concept, they do not have to be dimensioned to resist the traction which is very weak there. The thickness of the steel tube can therefore be reduced to the minimum compatible with operational and industrial requirements.
L'allègement du tube prolongateur par des matériaux de faible densité permet de mieux résoudre les problèmes posés précédemment. Un tel allégement peut être obtenu en remplaçant pour tout ou partie du riser, l'acier constitutif du tube principal (tubes et connecteurs) par l'alliage de titane, par exemple du type Ti-6Al-4V trois fois plus performant si on considère sa résistance spécifique (rapport de la limite élastique à la densité) et, aussi, plus résistant en fatigue et à la corrosion marine et pétrolière.The lightening of the extension tube with low density materials makes it possible to better solve the problems posed previously. Such lightening can be obtained by replacing all or part of the riser, the steel constituting the main tube (tubes and connectors) by the titanium alloy, for example of the Ti-6Al-4V type, three times more efficient if we consider its specific resistance (ratio of the elastic limit to the density) and, also, more resistant to fatigue and to marine and petroleum corrosion.
De tels tubes peuvent être obtenus par les opérations suivantes :
- emboutissage à la presse de tôles dans un outils "matrice/poinçon", de façon à obtenir des coquilles semi-cylindriques,
- réalisation des tubes élémentaires par soudage longitudinal, suivant deux génératrices, de deux demi-coquilles,
- raboutage, par soudage circulaire, de tubes élémentaires et de pièces d'extrémité de façon à obtenir des éléments de tubes prolongateurs.
- stamping with sheet metal in a "die / punch" tool, so as to obtain semi-cylindrical shells,
- production of the elementary tubes by longitudinal welding, along two generatrices, of two half-shells,
- joining, by circular welding, of elementary tubes and end pieces so as to obtain elements of extension tubes.
La demande de brevet français FR-2.620.956 propose un procédé de fabrication de tube en titane.French patent application FR-2,620,956 proposes a process for manufacturing titanium tubes.
Le tube en titane pourra être renforcé par le frettage composite de manière analogue à celle décrite ci-dessus et un chemisage en acier, de conception identique à celle définie plus haut, devra être déployé sur toute sa longueur. Cette architecture très performante devrait permettre l'extension du concept de tube prolongateur jusqu 'à au moins 12.000 pieds (3.600 m) de profondeur d'eau, à la réserve près que les problèmes soulevés par une période propre en vibrations longitudinales égale ou supérieure à 7 secondes ne se révèlent pas rédhibitoires.The titanium tube may be reinforced by the composite hooping in a similar manner to that described above and a steel liner, of identical design to that defined above, must be deployed over its entire length. This high performance architecture should allow the extension of the extension tube concept to at least 12,000 feet (3,600 m) of water depth, with the exception that the problems raised by a specific period of longitudinal vibration equal to or greater than 7 seconds do not turn out to be unacceptable.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'une colonne selon l'invention,
- les figures 2
et 3 représentent en coupe cette colonne à deux côtés différents, - la figure 4 illustre un élément constitutif de la colonne, cet élément étant équipé de moyens réduisant son poids apparent dans l'eau, tels des flotteurs, et
- la figure 5 est une coupe d'un élément de la colonne dont le tube prolongateur est renforcé par un frettage externe.
- FIG. 1 represents an overall diagram of a column according to the invention,
- FIGS. 2 and 3 represent in section this column with two different sides,
- FIG. 4 illustrates an element constituting the column, this element being equipped with means reducing its apparent weight in water, such as floats, and
- Figure 5 is a section of an element of the column whose extension tube is reinforced by an external hooping.
Sur la figure 1, la référence 1 désigne une installation de surface, tel un navire.In FIG. 1, the reference 1 designates a surface installation, such as a ship.
La référence 2 désigne les moyens de fixation au fond de l'eau 3 de cette colonne à une tête de puits 4. Cette connexion se fait par l'intermédiaire d'un joint flexible 5. La colonne selon l'invention est désignée dans son ensemble par la référence 6. Sur cette figure les lignes périphériques n'ont pas été dessinées afin de ne pas alourdir la représentation.The
La colonne 6 comporte deux parties. La première désignée par la référence 7 est composée d'éléments 7a, 7b...7n équipés de flotteurs 8. La deuxième, référencée 9, ne comporte pas de flotteur et est constituée par l'assemblage d'éléments 9a, 9b...9n.
Ainsi, le tube prolongateur selon la présente invention ne comporte de flotteurs que sur la partie la plus haute de la colonne. A titre d'exemple, la présence de flotteurs pourra être interrompue à partir des profondeurs supérieures de 2.000 m. La colonne selon la présente invention, ou une partie de cette colonne qui ne comporte pas de flotteur, pourra être réalisée en matériaux allégés, par exemple par l'utilistion de titane, de matériau composite, ou par l'utilisation de frettage à base de matériau composite, par exemple à l'aide d'un ruban frettant un tube.Thus, the extension tube according to the present invention comprises floats only on the highest part of the column. For example, the presence of floats can be interrupted from depths greater than 2,000 m. The column according to the present invention, or a part of this column which does not include a float, may be made of light materials, for example by the use of titanium, of composite material, or by the use of hooping based on composite material, for example using a ribbon shrinking a tube.
La partie du tube prolongateur équipée de flotteur pourra comporter des flotteurs, en continu ou par intermittence. Bien entendu, la présence de flotteurs pourra être interrompue au voisinage de l'installation de surface.The part of the extension tube fitted with a float may include floats, continuously or intermittently. Of course, the presence of floats may be interrupted in the vicinity of the surface installation.
La figure 2 est une coupe selon la ligne AA de la colonne suivant l'invention. On a considéré dans cette coupe que le tube principal de la colonne n'était pas équipé de chemisage interne.Figure 2 is a section along line AA of the column according to the invention. It was considered in this section that the main tube of the column was not equipped with internal lining.
La référence 8 désigne le flotteur. Ce flotteur comporte des dégagements 11 adaptés à recevoir les lignes périphériques 12. Le flotteur est fixé autour du tube principal 13. Dans cet exemple, les lignes périphériques sont solidaires du tube prolongateur 13 par l'intermédiaire de bras 14.The
La figure 3 représente une coupe suivant la ligne BB de la colonne à un niveau où les flotteurs 8 ont été supprimés. Seuls subsistent les lignes périphériques 12 fixées au tube prolongateur 13 par l'intermédiaire de bras 14.Figure 3 shows a section along line BB of the column at a level where the
Par ailleurs, dans la figure 3, on a considéré le cas de l'utilisation d'un chemisage 15 qui permet de réduire la quantité de boue circulant à l'intérieur de la colonne, par exemple lors de forage de faible diamètre. Sur la figure 3, la boue circule dans la zone cylindrique interne 100 et l'espace annulaire 101 entre le chemisage 15 set le tube central 13 serait libre.Furthermore, in Figure 3, we have considered the case of the use of a
Ces chemisages internes peuvent avantageusement être réalisés conformément à la demande déposée le 7 août 1989 sous le EN. 89/10.755 au nom de l'Institut Français du Pétrole.These internal linings can advantageously be produced in accordance with the application filed on August 7, 1989 under the EN. 89 / 10.755 on behalf of the French Petroleum Institute.
La figure 4 illustre un élément de la colonne, la colonne étant constituée par l'assemblage de plusieurs de ces éléments, qu'ils soient ou non équipés de flotteurs.FIG. 4 illustrates an element of the column, the column being constituted by the assembly of several of these elements, whether or not they are fitted with floats.
Dans l'exemple retenu à la figure 4, la colonne est réalisée par l'assemblage d'éléments déjà équipés de leurs lignes périphériques. La référence 16 désigne l'élément dans son ensemble. Cet élément comporte deux extrémités 17 et 18. Les références 19, 20 et 21 désignent des lignes périphériques qui sont assemblées au tube central 22 par l'intermédiaire de moyens de fixation pouvant comporter des brides (non représentées), des plaques 23 et des colliers 40.In the example used in FIG. 4, the column is produced by assembling elements already equipped with their peripheral lines.
L'élément représenté à la figure 4 comporte des flotteurs 8. L'assemblage des deux éléments adjacents se fait par les connecteurs pouvant être du type à baïonette 24 et 25. L'assemblage de deux éléments adjacents réalise la connexion des lignes périphériques entre-elles, en assemblant les extrémités 26, 27 et 28 aux extrémités adjacentes des lignes périphériques correspondant aux extrémités 29, 30 et 31.The element represented in FIG. 4 comprises floats 8. The assembly of the two adjacent elements is done by the connectors which can be of the
La figure 5 représente une coupe d'un élément composant la colonne selon l'invention.FIG. 5 represents a section of an element making up the column according to the invention.
Les lignes périphériques portent les références 32, 33 et 34. Ces lignes périphériques sont reliées à l'élément du tube central 35 par l'intermédiaire de bras 36, 37 et 38. Dans ce mode de réalisation, l'élément du tube prolongateur 35 est renforcé par un frettage 39 qui peut être réalisé selon les enseignements du brevet américain N. 4.514.245.The peripheral lines bear the
Le mode de réalisation réunissant l'ensemble des éléments représentés aux figures 1 à 5 permet de réaliser des opérations de forage ou de production pour des profondeurs d'eau supérieures à 2.300 m.The embodiment bringing together all the elements represented in FIGS. 1 to 5 makes it possible to carry out operations of drilling or production for water depths greater than 2,300 m.
Un tel mode de réalisation réunit les trois caractéristiques qui permettent d'atteindre de telles profondeurs d'opération.Such an embodiment combines the three characteristics which make it possible to reach such operating depths.
Ces caractéristiques sont l'utilisation de flotteurs uniquement sur la partie supérieure de la colonne, l'utilisation d'un chemisage 15 pour une partie des opérations faisant appel à l'utilisation de boue dense dont la densité est voisine ou supérieure à 2 et enfin l'utilisation d'un tube prolongateur 35 ou de masse plus faible que les éléments équivalents réalisés en acier. Ceci peut être obtenu par l'uilisation de matériau de faible densité, tel le titane, par l'utilisation d'un tube réalisé en matériau composite à matrice organique ou autre, ainsi que par l'utilisation de renfort par frettage. Cette dernière technique permet d'améliorer la tenue mécanique d'un tube sans en augmenter excessivement le poids.These characteristics are the use of floats only on the upper part of the column, the use of a
Selon la présente invention, on peut réaliser un frettage du tube prolongateur et/ou des lignes périphériques 32, 33 et 34.According to the present invention, it is possible to hoop the extension tube and / or the
Le frettage 39 permet d'avoir des éléments du tube prolongateur légers ayant de bonnes performances mécaniques, notamment aux différences de pression existant entre la partie interne de ces élements et le milieu ambiant.The hooping 39 makes it possible to have elements of the light extension tube having good mechanical performance, in particular to the pressure differences existing between the internal part of these elements and the ambient medium.
Bien entendu, on ne sortira pas du cadre de l'invention si on réalise les éléments du tube prolongateur en des matériaux de faible densité, tel le titane, ou en les réalisant à l'aide de matériaux composites, notamment à matrice organique renforcée par des fils en fibre de verre, ou Keylar, carbone.Of course, it will not depart from the scope of the invention if the elements of the extension tube are made of low density materials, such as titanium, or by making them using composite materials, in particular with an organic matrix reinforced by fiberglass, or Keylar, carbon wires.
De même, selon la présente invention, seule une partie de la colonne pourra comporter un tube prolongateur, ou des lignes périphériques renforcées par frettage. En effet, c'est vers les plus grandes profondeurs que de tels agencements sont nécessaires.Similarly, according to the present invention, only a part of the column may include an extension tube, or peripheral lines reinforced by hooping. Indeed, it is towards the greatest depths that such arrangements are necessary.
Les effets bénéfiques des mesures d'architectures explicitées ci-dessus seront mieux compris par la description d'un cas d'application particulier, correspondant à un riser selon l'invention, pouvant travailler dans 3.000 m de profondeur d'eau.The beneficial effects of the architectural measures explained above will be better understood by the description of a particular application case, corresponding to a riser according to the invention, able to work in 3,000 m of water depth.
Les principales données utilisées dans cette description sont définies ci-après :
- profondeur d'eau : 3.000 m
- diamètre extérieur du riser : 533,4 mm (21˝)
- longueur effective des éléments : 22,86 m (75ft)
- lignes périphériques :
- . kill and choke lines (pression de service : 15.000 psi)
- . booster and hydraulic lines ( pression de service : 5.000 psi)
- densité maximale de la boue :
- . 1,68 (14ppg) jusqu 'à la pose du tubage 13 3/8"
- . 2,03 (17ppg) au-delà
- critères de dimensionnement : API RP 2Q
- capacité de tensionnement : 908t (2.000kip) utilisable à 71 % (645t)
- matériaux utilisés :
- . acier X80QT (limite élastique : 560 MPa)
- . titane Ti-6Al-4V (limite élastique : 830 MPa)
- . fibres de Keylar et résine polyamide pour le frettage
- . mousses syntactiques pour les flotteurs
- densité des flotteurs :
- . 0,368 (pour des profondeurs jusqu'à 650 m)
- . 0,456 (pour des profondeurs jusqu'à 1.350 m)
- . 0,513 (pour des profondeurs jusqu'à 2.000 m)
- water depth: 3,000 m
- outer diameter of the riser: 533.4 mm (21˝)
- effective element length: 22.86m (75ft)
- peripheral lines:
- . kill and choke lines (operating pressure: 15,000 psi)
- . booster and hydraulic lines (operating pressure: 5,000 psi)
- maximum mud density:
- . 1.68 (14ppg) up to installation of 13 3/8 "tubing
- . 2.03 (17ppg) beyond
- dimensioning criteria: API RP 2Q
- tensioning capacity: 908t (2,000kip) usable at 71% (645t)
- used materials :
- . X80QT steel (yield strength: 560 MPa)
- . titanium Ti-6Al-4V (elastic limit: 830 MPa)
- . Keylar fibers and polyamide resin for hooping
- . syntactic foams for floats
- density of floats:
- . 0.368 (for depths up to 650 m)
- . 0.456 (for depths up to 1.350 m)
- . 0.513 (for depths up to 2,000 m)
Les lignes directrices utilisées pour la définition des caractéristiques du riser découlent des indications déjà fournies dans la présente demande. Les plus importantes d'entre elles sont rappelées ci-après :
- 1) les lignes de sécurité ("kill and choke lines") ont un diamètre intérieur de 93 mm (3,7˝) et sont renforcées par un frettage composite,
- 2) une partie des éléments du riser possède un tube principal en alliage de titane, ce qui permet de réduire considérablement leur poids,
- 3) l'épaisseur du tube principal est calculée en considérant uniquement les efforts longitudinaux de traction et de flexion ; la résistance aux efforts circonférentiels exercés par la pression est ajustée par un renforcement optimisé du tube au moyen du même procédé de frettage composite,
- 4) un tube de chemisage est mis en place à l'intérieur du riser après la pose du tubage 340 mm (13 3/8˝) ; la résistance circonférentielle de ce tube est aussi augmentée, en fonction des besoins, par un frettage composite,
- 5) les contraintes principales (longitudinales, radiales et circonférenteilles) et la contrainte combinée de Von Mises sont limitées, en conditions normales de forage, à 1/3 de la limite élastique du matériau constitutif du tube principal,
- 6) une partie des éléments de riser sont équipés de flotteurs de façon à ce que leur poids apparent dans l'eau soit théoriquement nul. Toutefois, l'emploi de flotteurs en mousse syntactique n'est pas retenu au-delà de 2.000 m de profondeur d'eau ; trois éléments sans flotteurs sont aussi prévus en partie supérieure du riser.
- 1) the safety lines ("kill and choke lines") have an internal diameter of 93 mm (3.7 composite) and are reinforced by a composite hooping,
- 2) a part of the riser elements has a main titanium alloy tube, which makes it possible to reduce their weight considerably,
- 3) the thickness of the main tube is calculated by considering only longitudinal tensile and bending forces; the resistance to the circumferential stresses exerted by the pressure is adjusted by an optimized reinforcement of the tube by means of the same composite hooping process,
- 4) a liner tube is placed inside the riser after the installation of the 340 mm (13 3/8 pose) casing; the circumferential resistance of this tube is also increased, as required, by a composite hooping,
- 5) the main stresses (longitudinal, radial and circumferential) and the combined stress of Von Mises are limited, under normal drilling conditions, to 1/3 of the elastic limit of the material of the main tube,
- 6) part of the riser elements are fitted with floats so that their apparent weight in water is theoretically zero. However, the use of syntactic foam floats is not retained beyond 2,000 m of water depth; three elements without floats are also provided in the upper part of the riser.
La composition du riser a été définie au terme d'une étude générale, statique et dynamique, des contraintes dans le tube principal. Ses principales caractéristiques sont données dans le tableau ci-après.The composition of the riser was defined after a general study, static and dynamic, of the stresses in the main tube. Its main characteristics are given in the table below.
Les précisions complémentaires suivantes peuvent être apportées aux données précédentes :
- 1) Le titane n'a été utilisé que pour les 1.000 m inférieurs du riser, l'acier étant conservé sur la plus grande partie de la longueur. Plusieurs considérations sont à la base de ce choix :
- le coût des tubes en titane étant très supérieur à celui des tubes en acier, il est important de limiter au plus juste leur nombre.
- la masse totale du riser résultant de cette architecture est, comme on le verra, suffisamment réduite pour lui conférer un comportement dynamique acceptable dans les conditions météo-océanographiques les plus sévères considérées. Un riser dont la tube principal serait entièrement réalisé en titane et dont la masse serait, de ce fait, inférieure à 1.000 t, serait recommandé pour des profondeurs d'eau plus importantes (jusqu'à 3.500 ou 4.000 m).
- la période propre du riser ainsi défini est, dans tous les cas, inférieure à 7 secondes, alors qu'elle dépasserait cette valeur dans l'hypothèse d'un tube consituté entièrement en titane, ce qui pourrait présenter de graves inconvénients.
- 2) Le diamètre des flotteurs a été calculé en supposant qu'ils recouvraient la quasi-totalité du tube de chaque élément et que la présence des lignes périphériques réduisait à 85 % le volume efficace occupé par les mousses. On constate que le diamètre ainsi calculé est compatible avec le passage de tous les éléments du riser dans la table de rotation 49 1/2˝ (1,26 m).
- 3) Le rapport du poids apparent à la masse du riser est de 13 % ce qui est, comme on le verra, une valeur suffisante pour lui conférer une excellente stabilité et empécher son détensionnement.
- 4) Des équipements complémentaires ont été pris en compte dans les calculs présentés ci-après. Ce sont :
- un joint téléscopique, de longueur 30 m et de masse 20 t, constituant la liaison entre le riser proprement dit et le support flottant lors des opérations de forage. En situation d'attente, le joint télescopique est retiré et le riser est suspendu sous le support, posé sur une table rotulante (spider) ou pris par d'autres moyens,
- une articulation élastique constitue la liaison entre le riser et la tête de puits lorsque le premier est connecté à la seconde,
- la tête de puits comporte, sous l'articulation, le joint de connexion (masse 125 t) et le
BOP 47,6 cm (18 3/4˝) - 15.000 proprement dit (masse 225 t). L'ensemble de ces deux pièces d'équipement ou la première seulement pouvant être suspendue sous le riser lorsque celui-ci n'est pas connecté (manoeuvre ou situation d'attente), - des joints courts ayant diverses fonctions (ajustement de longueur, raccordement acier/titane, joint de mesure, vanne de remplissage...) peuvent aussi être présents sans que cela modifie les résultats présentés ci-après.
- 1) Titanium was only used for the lower 1,000 m of the riser, the steel being preserved over most of the length. Several considerations are at the basis of this choice:
- the cost of titanium tubes being much higher than that of steel tubes, it is important to limit their number as much as possible.
- the total mass of the riser resulting from this architecture is, as will be seen, sufficiently reduced to give it acceptable dynamic behavior under the most severe meteorological-oceanographic conditions considered. A riser whose main tube would be entirely made of titanium and whose mass would therefore be less than 1,000 t, would be recommended for greater water depths (up to 3,500 or 4,000 m).
- the natural period of the riser thus defined is, in all cases, less than 7 seconds, whereas it would exceed this value in the hypothesis of a tube made entirely of titanium, which could present serious drawbacks.
- 2) The diameter of the floats was calculated assuming that they covered almost the entire tube of each element and that the presence of the peripheral lines reduced to 85% the effective volume occupied by the foams. It is found that the diameter thus calculated is compatible with the passage of all the elements of the riser in the rotation table 49 1 / 2˝ (1.26 m).
- 3) The ratio of the apparent weight to the mass of the riser is 13% which is, as we will see, a value sufficient to give it excellent stability and prevent stress relieving.
- 4) Additional equipment has been taken into account in the calculations presented below. Those are :
- a telescopic seal, 30 m long and 20 t mass, constituting the connection between the riser itself and the floating support during drilling operations. While waiting, the telescopic seal is removed and the riser is suspended under the support, placed on a swiveling table (spider) or taken by other means,
- an elastic joint constitutes the connection between the riser and the well head when the first is connected to the second,
- the wellhead has, under the joint, the connection joint (mass 125 t) and the BOP 47.6 cm (18 3 / 4˝) - 15,000 proper (mass 225 t). All of these two pieces of equipment, or the first only, which can be suspended under the riser when it is not connected (operation or waiting situation),
- short joints with various functions (length adjustment, steel / titanium connection, measuring joint, filling valve, etc.) may also be present without this modifying the results presented below.
Des calculs estimatifs ont montré que la colonne selon l'invention possède un comportement mécanique satisfaisant et compatible avec les exigences de sécurité indispensables pour son emploi opérationnel.Estimated calculations have shown that the column according to the invention has satisfactory mechanical behavior and is compatible with the safety requirements essential for its operational use.
L'angle en pied du riser est maintenu dans la limite de 2° fixée par l'API si le déport en tête n'excédait pas 1 % de la profondeur d'eau et si le courant n'était pas très violent. Dans le cas contraire, une tension supplémentaire de quelques dizaines de tonnes devrait être appliquée.The angle at the foot of the riser is kept within the limit of 2 ° set by the API if the head offset does not exceed 1% of the water depth and if the current was not very violent. Otherwise, an additional tension of a few tens of tonnes should be applied.
Ces calculs estimatifs ont permis de constater que le comportement mécanique, tant statique que dynamique, du riser est parfaitement maîtrisé. Les contraintes de toutes espèces restent inférieures au tiers de la limite élastique, valeur maximale qu'on s'est fixée, et l'amplitude des surtensions est très nettement inférieure à la tension moyenne, écartant ainsi tout risque de détensionnement et ne sollicitant pas le matériel au-delà de ses limites.These estimated calculations have shown that the mechanical behavior, both static and dynamic, of the riser is perfectly controlled. The stresses of all kinds remain less than a third of the elastic limit, the maximum value that has been set, and the amplitude of the overvoltages is very much lower than the average tension, thus eliminating any risk of stress relieving and not requesting the material beyond its limits.
Ceci s'ajoute aux avantages directs induits par les diverses mesures explicitées dans ce papier : réduction très importante du volume de boue dans les phases de forage où elle est la plus lourde, suppression des flotteurs là où ils sont le moins performant et le plus cher, réduction importante du poids des éléments de riser, facilitant leur stockage et leur manutention sur le pont des plates-formes, plus grande efficacité des lignes de sécurité, par suite de l'augmentation de leur diamètre de passage.This is in addition to the direct advantages induced by the various measures explained in this paper: very significant reduction in the volume of mud in the drilling phases where it is the heaviest, elimination of the floats where they are the least efficient and the most expensive. , significant reduction in the weight of riser elements, facilitating their storage and handling on the deck of platforms, greater efficiency of safety lines, due to the increase in their passage diameter.
Cet ensemble de qualités, rendu en grande partie possible par l'emploi intensif de matériaux nouveaux, confère indéniablement à la nouvelle architecture du riser une remarquable aptitude à être utilisée, en toute sécurité, dans les profondeurs d'eau les plus grandes actuellement envisagées pour des forages en mer.This set of qualities, made largely possible by the intensive use of new materials, undeniably gives the new architecture of the riser a remarkable ability to be used, in complete safety, in the deepest water depths. currently being considered for offshore drilling.
De plus, la nature des solutions mises en oeuvre, caractérisée par une disponibilité permanente et qui, à l'inverse de dispositifs concurrents comme les flotteurs à air ou le tensionnement actif du riser, ne nécessitent aucune intervention humaine ou matérielle pour être efficace au moment opportun, assure au système de forage une grande fiabilité et une productivité élevée, gages d'une rentabilité indispensables pour des opérations aussi risquées, tant sur le plan technique qu'économique.In addition, the nature of the solutions implemented, characterized by permanent availability and which, unlike competing devices such as air floats or active tensioning of the riser, do not require any human or material intervention to be effective at the time. timely, provides the drilling system with high reliability and high productivity, a guarantee of profitability essential for such risky operations, both technically and economically.
Claims (10)
- A riser for deep water levels having a central tube (13, 22) to transfer a fluid incorporating mud between a location situated under a mass of water and a point at a level above this location, peripheral lines (12) connected to the riser, an internal sleeving (15) located inside the central tube (13, 22) to reduce the quantity of mud circulating in the riser and a plurality of floats (8) surrounding the central tube and located solely on the upper part of the central tube, characterised in that the internal sleeving (15) is positioned coaxially to the central tube (13) and has a diameter less than the diameter of the central tube so as to define an annular space between an external surface of the internal sleeving and an internal surface of the tube.
- A riser in accordance with claim 1, characterised in that the central tube or one at least of the peripheral lines has a weight lower than the equivalent weight of a central tube made from steel or peripheral lines made from steel.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 2, characterised in that the central tube or one at least of the peripheral lines is made at least partially from a titanium alloy.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 3, characterised in that it has reinforcement by means of fretting over a part at least of the central tube or at least part of at least one of the peripheral lines.
- A riser in accordance with claim 4, characterised in that the reinforcement by fretting is obtained by winding a reinforcing band around at least a part of the central tube or at least a part of at least one of the peripheral lines.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 5, characterised in that the upper part extends over a length equal to at least 2,000 m and in that it has a plurality of floats on the upper part.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 6, characterised in that the upper part is of a length greater than or equal to 2/3 of the total length of the riser and in that it has a plurality of floats arranged substantially over the whole length of the upper part.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 7, characterised in that the riser is made up from several elements and bayonet type connectors linking the elements to each other.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 8, characterised in that the central tube is made up by assembling several elements and in that the riser has a sleeving in the central tube, the sleeving being made up by assembling several sleeving elements, each of the sleeving elements being suspended from a corresponding element of the central tube.
- A riser in accordance with one of claims 1 to 3, characterised in that the central tube or one at least of the peripheral lines includes a composite material.
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