Composite Risers for Deepwater Applications Risers composites pour applications en mer profonde

• Main Authors: Metivaud G., Auberon M., Sparks C., Odru P.
• Format: Article
• Language: English
• Published: EDP Sciences 2006-11-01
• Series: Oil & Gas Science and Technology
• Online Access: http://dx.doi.org/10.2516/ogst:1993008
• ISSN: 1294-4475; 1953-8189

This paper is devoted to the high performance composite tubes developed by the Institut Français du Pétrole (IFP) and Aerospatiale for deepwater risers applications. The design principles of the tubes are first presented, along with results of preliminary work carried out as part of the initial feasibility study. Applications of composite tubes to drilling riser Kill and Choke lines and to TLP production risers, both of which have been studied in detail, are then described. Technical and operational advantages obtained from such applications are discussed. <br> Cet article présente les travaux réalisés par l'Institut Français du Pétrole et l'Aerospatiale dans le domaine des tubes composites haute performance pour les applications aux liaisons fond-surface de forage et de production en mer profonde. Les matériaux composites avancés sont une classe de matériaux très particulière, présentant à la fois des caractéristiques mécaniques élevées et une densité spécifique faible. Ils sont utilisés principalement par les industries de l'aéronautique et de l'espace, mais l'industrie pétrolière en mer profonde est un secteur où ils peuvent trouver dans l'avenir des applications très intéressantes, notamment les tubes de risers. Les tubes de risers pétroliers en mer présentent en effet une gamme de spécifications élevées (diamètres, pression, traction, fatigue dans un environnement sévère) et leur poids suspendu peut pénaliser fortement les systèmes de forage ou de production par grande profondeur d'eau. Un premier concept de tube composite haute performance a été développé par IFP et Aerospatiale au début des années 1980 ; sa partie courante, réalisée par enroulement filamentaire de fibres de verre R ou de fibres de carbone, et son système d'embout ont été soumis à une série d'essais mécaniques (pression interne jusqu'à 105 MPa, traction supérieure à 1 000 kN pour un diamètre nominal de 0,1 m, millions de cycles de fatigue) qui ont permis de valider et d'améliorer les principes. La première application visée fut le forage en mer profonde. L'étude d'un riser de forage grande profondeur, menée dans le cadre des campagnes de forage en Méditerranée profonde au début des années 80, a permis d'identifier que sa période propre de résonance longitudinale pouvait se rapprocher dangereusement de celle de la houle dans certaines conditions opérationnelles. Le remplacement des lignes périphériques haute pression (dites Kill and Choke lines, 105 MPa de pression de service) par des lignes en matériaux composites est alors un moyen élégant d'améliorer ce comportement par une diminution substantielle de la masse, à la fois du composant structurel mais aussi des mousses syntactiques nécessaires pour maintenir la flottabilité du riser. Un essai en mer en vraie grandeur était mené en 1983 sur un riser de forage dans les conditions sévères de la mer du Nord, avec le concours de Total Compagnie Française des Pétroles. Mais les principaux débouchés potentiels identifiés des tubes composites haute performance dans l'industrie pétrolière marine sont les risers de Plates-formes à Lignes Tendues. Des avantages d'allègement très importants peuvent en être retirés en mer profonde, permettant des gains sur le système global capables de justifier le surcoût lié à l'emploi du composite. Deux importants programmes de qualification ont été menés sur ce thème en collaboration avec d'importantes compagnies pétrolières internationales : l'un a permis de démontrer que les tubes composites pouvaient être dimensionnés avec précision et tenir l'ensemble des spécifications requises (105 MPa à l'éclatement pour un diamètre nominal de 0,23 m, 4 500 kN à rupture avec température interne de 110°C), avec notamment un comportement en fatigue excellent ; l'autre était dédié à la tolérance aux défauts et aux méthodes de contrôle non destructifs applicables, et a aussi permis d'obtenir des résultats significatifs favorables à l'utilisation opérationnelle des composites.