Équipement de Contrôle de Venue [PDF]

Zitiervorschau

FOR95009

ÉQUIPEMENT DE CONTRÔLE DE VENUE

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Sommaire

SOMMAIRE

AVERTISSEMENT

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CE DOCUMENT SE RÉFÈRE AUX RÈGLES API RP 53 DE MAI 1984 ET RP 16 E D’OCTOBRE 1990. CE SONT DES RECOMMANDATIONS MINIMUM. DES RÈGLES PLUS CONTRAIGNANTES PEUVENT ÊTRE OU SONT EN VIGUEUR AU SEIN DE CHAQUE COMPAGNIE. 6 CHAPITRE LES BRIDES

1 8

1.1 CARACTÉRISTIQUES DES BRIDES...............................................................................................8 1.2 MONTAGE.......................................................................................................................................... 11 1.3 LES BRIDES À CLAMPS.................................................................................................................. 13

CHAPITRE LES OBTURATEURS DE TÊTES DE PUITS.......................................................... 16 2.1 GÉNÉRALITÉS.................................................................................................................................. 16 2.2 DIFFÉRENTS TYPES D'OBTURATEURS.................................................................................... 18 2.2.1 Obturateurs à mâchoires (rams BOP).................................................................................................18 2.2.2 Obturateurs annulaire (annular BOP).................................................................................................18 2.2.3 Obturateurs internes (I-BOP)............................................................................................................. 18 2.2.4 Obturateurs rotatifs............................................................................................................................. 18 2.3 LES OBTURATEURS À MÂCHOIRES.......................................................................................... 21 2.3.1 Le Cameron type U (figure 2.2)......................................................................................................... 21 2.3.2 Autres BOP à mâchoires.....................................................................................................................31 2.4 LES OBTURATEURS ANNULAIRES.............................................................................................43 2.4.1 Hydril type GK................................................................................................................................... 43 2.4.2 Hydril type GL (figure 2. 28)............................................................................................................. 49 2.4.3 Shaffer sphérique (figure 2. 31)..........................................................................................................53 2.4.4 Cameron type D..................................................................................................................................54 2.5 DIVERTERS........................................................................................................................................ 57

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2.6 OBTURATEURS INTERNES DE GARNITURE (INSIDE BOP)................................................ 63 2.6.1 Dispositifs d'obturation en surface .................................................................................................... 63 2.6.2 Dispositifs placés au niveau de l’outil ...............................................................................................67 2.6.3 Dispositifs à pomper dans la garniture .............................................................................................. 69 2.6.4 Procédures à appliquer en cas de signe de venue en cours de manœuvre......................................... 70 2.7 OBTURATEURS ROTATIFS (EN COURS DE DÉVELOPPEMENT)...................................... 72

CHAPITRE TEST DES TÊTES DE PUITS

3 73

3.1 LES TESTS DE FONCTIONNEMENT........................................................................................... 73 3.2 LES TESTS EN PRESSION...............................................................................................................74 3.2.1 Avec le tester cup................................................................................................................................75 3.2.2 AVEC LE TESTER PLUG..............................................................................................................77 3.3 RÉSULTATS DES TESTS................................................................................................................. 80

CHAPITRE UNITÉ DES BOP

D’ACCUMULATION

ET

DE

4 COMMANDE

81

4.1 UNITÉ DE COMMANDE DE BOP SURFACE.............................................................................. 81 4.2 DESCRIPTION D'UNE UNITÉ STANDARD.................................................................................83 4.3

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE L'UNITÉ ET RECOMMANDATIONS API................................................................................................ 86

4.3.1 Systèmes de pompage.........................................................................................................................86 4.3.2 Les bouteilles ..................................................................................................................................... 87 4.3.3 Distribution du fluide hydraulique..................................................................................................... 89 4.3.4 Réservoir et fluide hydraulique.......................................................................................................... 92 4.3.5 Panneau de commande à distance...................................................................................................... 92 4.3.6 Conduites............................................................................................................................................ 97 4.4 DIMENSIONNEMENT D'UNE UNITÉ...........................................................................................97 4.4.1 Calcul du nombre de bouteilles.......................................................................................................... 97 4.4.2 Capacité des pompes.......................................................................................................................... 99 4.4.3 Dimensionnement du réservoir de stockage du fluide hydraulique................................................. 100 4.4.4 Temps de fermeture des BOP...........................................................................................................100 4.5 VÉRIFICATION DE LA PRÉCHARGE DES BOUTEILLES................................................... 101

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CHAPITRE LES LE CHOKE MANIFOLD

5 DUSES 102

5.1 DUSE RÉGLABLE MANUELLE (FIGURE 5.1)..........................................................................103 5.2 DUSE COMMANDÉE À DISTANCE............................................................................................ 103 5.2.1 Duse SWACO - 10000 psi................................................................................................................104 5.2.2 Duse "Cameron" 10000 psi (figure 5.5)........................................................................................... 107 5.3 KILL LINE ET CIRCUIT MANIFOLD........................................................................................ 110 5.3.1 Kill line............................................................................................................................................. 110 5.3.2 Circuit manifold................................................................................................................................111 5.3.3 Séparateur atmosphérique.................................................................................................................115

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AVERTISSEMENT

CE DOCUMENT SE RÉFÈRE AUX RÈGLES API RP 53 DE MAI 1984 ET RP 16 E D’OCTOBRE 1990. CE SONT DES RECOMMANDATIONS MINIMUM. DES RÈGLES PLUS CONTRAIGNANTES PEUVENT ÊTRE OU SONT EN VIGUEUR AU SEIN DE CHAQUE COMPAGNIE.

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CHAPITRE 1

LES BRIDES

Ce sont des systèmes d'assemblage entre les différents composants de la tête de puits.

1.1 Caractéristiques des brides Elles sont dénommées par leur diamètre intérieur en pouces et par leur pression de service ou pression de travail en psi (working pressure), par exemple : 13 5/8 - 5000 psi. On trouvera figure 1.3 les dimensions nominales des brides ainsi que la pression de service à laquelle elles sont disponibles. Il existe deux types de bride (figures 1.1 et 1.2) : • les brides 6B pour les pressions de service 2000, 3000 et 5000 jusqu'à la dimension 11" incluse, • les brides 6BX pour les pressions de service 5000 à partir de la dimension de 13 5/8, 10 000, 15 000 et 20 000 psi (ainsi qu'en pression de service 2000 et 3000 psi de diamètre nominal 26 3/4). Ces deux types se différencient principalement par la façon dont se fait le contact entre les brides. L’étanchéité métal sur métal entre les deux brides est assurée par un joint tore en acier doux. Les brides 6B sont équipées de joint du type R ou RX (figure 1.3). Le joint R est de section ovale ou octogonale, le joint RX est octogonal asymétrique (figure 1.3). Le X indique que le joint est activé par la pression (pressure energized). Ces deux types de joints se montent indifféremment dans les gorges des brides 6B. L'étanchéité de l'assemblage sera effective lorsque le pincement du joint par le serrage des écrous (ou du clamp) approchera la cote S appelée stand off (voir figure 1.4). Ce jeu doit être constant sur toute la périphérie. Puisqu’il n’y a pas de contact entre les deux brides, le serrage des boulons doit être vérifié périodiquement. Les brides de type 6B ne seront pas utilisées pour des assemblages où il y a flexion de l’ensemble BOP- tête de puits.

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Les brides

Les brides 6BX sont équipées d'un joint type BX (figure 1.5) de section octogonale, avec des perçages d'égalisation des pressions dans les deux fonds de gorge. Ces trous d'égalisation autorisent une fuite sur un des flancs intérieur du joint sans effet de soulèvement du joint et donc de fuite à l'extérieur, car l'égalisation permet à la pression d'être active radialement en forçant vers l'extérieur le joint donc d'assurer le contact sur les flancs extérieurs des gorges.

FIG. 1.1 Bride de type 6B (série 3000 psi)

FIG. 1.2 Bride de type 6BX (série 5000, 10000 psi)

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Les brides

FIG. 1.3 Joints tores API type R et RX et bride type 6B

FIG. 1.4 Joints tore API type BX et bride type 6BX

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Les brides

Pression de service Dimension nominale 113/16 21/16 29/16 31/16 31/8 41/16 51/8 71/16 9 11 135/8 163/4 183/4 203/4 211/4

SÉRIE 2000

SÉRIE 3000

SÉRIE 5000

SÉRIE 10000

SÉRIE 15000

SÉRIE 20000

BX 151 BX 152 BX 153 BX 154

BX 151 BX 152 BX 153 BX 154

BX 151 BX 152 BX 153 BX 154

R-RX 35 R-RX 39 R-RX 44 R-RX 46 R-RX 50 R-RX 54 BX 160 BX 162 BX 163

BX 155 BX 169 BX 156 BX 157 BX 158 BX 159 BX 162 BX 164

BX 155

BX 155

BX 156 BX 157 BX 158

BX 156

BX 165

BX 164

R-RX 23 R-RX 26

R-RX 24 R-RX 24 R-RX 27 R-RX 27

R-RX 31 R-RX 37 R-RX 41 R-RX 45 R-RX 49 R-RX 53 R-RX 57 R-RX 65

R-RX 31 R-RX 37 R-RX 41 R-RX 45 R-RX 49 R-RX 53 R-RX 57 R-RX 66 R-RX 74

R-RX 73

FIG. 1.5 Joints tores à utiliser en fonctions des pressions de service et du diamètre nominal

1.2 Montage L’assemblage des brides se fait par boulons (bolted), par goujons (studded) ou par clamps (figure 1.6). Les gorges et les joints doivent être contrôlés, nettoyés et montés à sec ou éventuellement légèrement huilés, avant la mise en place du joint dans la gorge intérieure. Le positionnement de l'élément supérieur doit se faire sans endommagement du joint et des flancs de gorge. Dans le cas d’assemblage par boulons ou par goujons, le blocage des écrous de serrage doit se faire en croix et il faut respecter la cote S sur la circonférence dans le cas de joints tores R ou RX et respecter les couples de serrage pour les brides 6BX (voir Formulaire du Foreur - section L Il faut vérifier également, avec des cales d'épaisseur l'absence de jeu entre les brides, • les joints tores ne doivent être utilisés qu'une seule fois pour des raisons d’étanchéité et d’écrouissage du métal (lors du serrage, le métal se durcit et peut endommager les gorges s’ils sont réutilisés) .

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Les brides

Connexion par boulons •

Connexion par goujons

Connexion par clamps FIG. 1.6 Différents assemblages des brides

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Les brides

1.3 Les brides à clamps Le principe de base de l'assemblage est identique à celui des brides boulonnées, seul change le mode de serrage qui est constitué par deux demi colliers (clamp) serrés autour des brides dont l'usinage extérieur est conique (hub). Le principe cône/coins transforme l'effort radial des colliers en une force de compression entre les deux brides et réalise ainsi l'étanchéité par le joint tore en acier. Il faut différencier les Hubs et Clamps normalisés par l'API de ceux conçus par Cameron Iron Works (figures 1.7 et 1.8). Les Hubs API existent en série 5000 et 10000 psi et utilisent des joints tores de type RX uniquement, alors que les Hubs Cameron existent de la série 2000 à 20000 psi et utilisent des joints tores RX ou BX. Ces derniers sont impérativement utilisés dans le cas d'empilages de grande hauteur tels les BOP stack sous-marins. En effet, les efforts de basculement dus au poids et à la hauteur de l'ensemble ne se reportent pas directement sur le joint tore en acier comme cela est le cas des joints RX, mais sur les faces des Hubs qui sont en contact dans le cas des joints BX.

FIG. 1.7 Profil d’une connexion par clamp

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Les brides

FIG. 1.8 Colliers pour serrage des brides - Clamp

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CHAPITRE 2

LES OBTURATEURS DE TÊTES DE PUITS

2.1 Généralités Les obturateurs et leurs accessoires ont pour fonctions : • d'assurer la fermeture du puits quand nécessaire, • de permettre de reprendre le contrôle du puits. • Les BOP assurent le contrôle secondaire (deuxième barrière de sécurité) alors que la boue assure le contrôle primaire (première barrière). Un obturateur est défini par : • sa marque (les principaux fabricants étant : Cameron, Shaffer, Hydril), • son type, • sa dimension nominale (diamètre du passage intérieur), • sa série (pression maximale de travail et de test en psi). Ces deux dernières caractéristiques permettent de connaître la dimension nominale des brides de raccordement (et des joints tores à utiliser) qui correspond normalement au diamètre de passage dans l'obturateur et la pression maximale de travail. Pour chaque obturateur on précise en outre les caractéristiques suivantes : • les rapports de fermeture et d'ouverture (rapport entre la pression qui règne dans le puits au moment de la fermeture - ou de l'ouverture - et la pression à exercer dans la chambre hydraulique pour fermer ou ouvrir l'obturateur) ; par exemple, le rapport de fermeture de l'obturateur Cameron type U étant de 7 / 1, il faut exercer une pression de 1000 psi sur les pistons de commande des mâchoires pour les fermer s'il règne dans le puits une pression de 7000 psi, •

les volumes de fluide nécessaire pour la fermeture et l'ouverture de l'obturateur,

• l'encombrement (hauteur, longueur, largeur, poids), en particulier la longueur ou la largeur, suivant le type, lors de l'ouverture pour le changement des mâchoires. © 2006 ENSPM Formation Industrie – IFP Training

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Les obturateurs de têtes de puits

• Toutes ces données sont indiquées dans le formulaire du foreur – Section L

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Les obturateurs de têtes de puits

2.2 Différents types d'obturateurs 2.2.1 Obturateurs à mâchoires (rams BOP) Ils peuvent être équipés de différents types de mâchoires : • Fermeture sur une dimension donnée : "pipe rams". • Fermeture totale "blind rams". • Fermeture totale et cisaillante "blind shear rams". • Fermeture sur une gamme de diamètres donnés "variable rams, flex packer". • Fermeture sur deux tubes : "dual rams" pour les complétions doubles. Le nombre d’obturateurs à mâchoires de l’empilage dépend de la pression attendue dans les formations à forer (voir figures 2.1 a, b et c). La position des différents types de mâchoires varie suivant les opérateurs. Chaque empilage présente des avantages et des inconvénients.

2.2.2 Obturateurs annulaire (annular BOP) Ils sont également appelés "bag type". Ils peuvent se fermer et faire étanchéité sur des équipements de section régulière de différents diamètres (tubulaire et câbles) et même sur le trou vide (mais pas vraiment recommandé). Ils permettent la manœuvre du train de tiges, obturateur fermé avec de la pression dans le puits (stripping). Ils sont toujours placés au sommet de l’empilage. Leur pression de service est généralement immédiatement inférieure à la pression de service des BOP à mâchoires. C’est en général le BOP que l’on fermera en cas de venue avec un tubulaire dans le puits.

2.2.3 Obturateurs internes (I-BOP) Les obturateurs internes (inside blowout preventers) sont les différents équipements que l'on place dans le train de tiges pour le fermer. Leur pression de service est égale ou supérieure à la pression de service des BOP.

2.2.4 Obturateurs rotatifs Ils permettent la rotation et la manœuvre des tiges et sont placés au-dessus des obturateurs normaux. Ils sont utilisés pour forer sous pression en conservant une boue de faible densité (forage underbalance, forage à l'air ou à la boue aérée).

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Les obturateurs de têtes de puits

FIG. 2.1a Exemple d’empilage avec 3 BOP (3 000 psi WP)

FIG. 2.1b Exemple d’empilage avec 4 BOP (5 000 psi WP)

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FIG. 2.1c Exemple d’empilage avec 5 BOP (10 000 psi WP)

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2.3 Les obturateurs à mâchoires Nous passerons en revue plus particulièrement le Cameron type U qui est un modèle couramment utilisé dans l’industrie et qui présente la conception la plus complexe.

2.3.1 Le Cameron type U (figure 2.2) 2.3.1.1 Description du Cameron type U Il est constitué d'un corps forgé comprenant : • un alésage central vertical pour le passage des équipements de forage, • un alésage horizontal (rams cavity) dans lequel se déplace un jeu de deux mâchoires. • souvent 2 sorties latérales pour connecter directement les kill et choke lines (ce qui évite d’utiliser une croix de circulation (mud cross ou drilling spool), ces sorties sont situées sous les rams. De chaque côté du corps : (figure 2.3) • une bride intermédiaire (2) (Intermediate flange), • un "bonnet" (3) Chaque bride est fixée au "bonnet" par des vis à tête noyée et chaque ensemble "bride + bonnet" est fixé au corps par quatre goujons (12). L'étanchéité entre bride et corps est assurée par un joint type "O-ring" (22).

FIG. 2.2 Cameron type U équipé de pipes rams

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Chaque mâchoire est "agrafée" sur une tige de piston comportant au centre le piston de manœuvre (5). Ce type de montage permet un certain mouvement des mâchoires (elles sont flottantes) nécessaire lors de la fermeture pour avoir un alignement correct entre les mâchoires et le tubulaire.

FIG. 2.3 Eclaté d’un Cameron type U Deux pistons (9) (10) solidaires du corps, servant à la manœuvre des bonnets présentent les caractéristiques suivantes : • l'un (10) sur le circuit d’ouverture du BOP a un alésage central, il permet d’écarter les bonnets du corps et d’accéder aux mâchoires. • l'autre (9) sur le circuit de fermeture des BOP est percé latéralement. Le circuit débouche derrière le piston et permet de refermer les bonnets. • La bride intermédiaire entre corps et bonnet dans laquelle coulisse la tige de piston est munie d'un joint à lèvres (lip seal) du côté puits et d'un "O" Ring côté chambre de manœuvre du piston.

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Entre ces deux joints se trouvent une mise à l'atmosphère (vent line ou weep line) (ce qui permet la détection d'une fuite éventuelle) ainsi qu'un système supplémentaire d'étanchéité par injection de graisse plastique. Cette possibilité d’injection est un système d'étanchéité de secours à n'employer que si le BOP ne peut pas être démonté et réparé (figure 2.4), c’est le cas en cours de contrôle de venue.

FIG 2.4 Détail du système d’étanchéité du Cameron type U Remarque : Un système identique de détection de fuite et d’étanchéité secondaire existe sur tous les modèles de BOP à mâchoires. Deux vis de verrouillage (8) (locking screw) permettent le blocage des mâchoires en position fermée. En version sous-marine, ces vis sont remplacées par un système hydraulique de blocage à coins dit "wedgelock". Ce système maintient les mâchoires fermées, même si la pression est relâchée dans la chambre de fermeture (figure 2.5 a et b).

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FIG. 2.5a Verrouillage manuel du Cameron type U (BOP en position verrouillée)

FIG. 2.5b Verrouillage du Cameron type U par le système wedge lock 2.3.1.2 Les mâchoires du Cameron Type U (figure 2.6a et b) Les mâchoires autres que les blind shear rams (BSR) sont constituées de trois pièces : •

un bloc métallique,

•

une garniture supérieure d'étanchéité en caoutchouc (top seal),

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• une garniture frontale (front packer) : soit pour fermeture totale, soit pour fermeture sur tige ou casing. • La pression appliquée sous la mâchoire vient plaquer le top seal contre la cavité de la mâchoire (rams cavity) et assure l’étanchéité. Certains types de mâchoires sont renforcées ou ont subit un traitement de surface spécifique permettant de pendre la garniture dans le puits, cette possibilité est indiquée par un numéro de série spécifique. Les deux garnitures (top seal et packer) s'agrafent l'une à l'autre par deux tenons. Pour enlever la garniture frontale, il faut d’abord enlever le top seal. Le caoutchouc de la garniture frontale est maintenu entre deux plaques métalliques. Ces plaques servent de guidage, elles permettent de maintenir le contact entre le caoutchouc et le tubulaire sur lequel on ferme et évitent l’extrusion du caoutchouc. Les "blind shear rams" permettent, en cas d'urgence, de couper les tiges tout en assurant l'étanchéité en fin de course.

1 : Mâchoire supérieure, 2 : Corps supérieur, 3 : blade packer, 4-5 : side packer, 6 : top seal, 7 : mâchoire inférieure. FIG. 2.6a Pipe rams et blind shear rams de Cameron type U

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La pression à appliquer pour couper est 3000 psi. Le diamètre maximum des tiges de forage que l’on peut couper est fonction du BOP et des rams utilisées. Sur certains modèles de blind shear rams, les flanges intermédiaires sont plus épaisses et le diamètre des pistons principaux plus important, ce qui assure une force plus grande pour couper. Les "variable rams" permettent la fermeture sur une gamme de diamètres (en général de l’ordre de 3"). Elles sont construites sur le principe de la membrane du CAMERON type D (voir paragraphe 2.4.4).

FIG. 2.6b Variable rams de Cameron type U

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2.3.1.3 Fonctionnement du Cameron type U (figure 2.7) La manœuvre de l'obturateur est commandée par une vanne à quatre voies de l’unité de commande des BOP. Pour fermer, le fluide sous pression envoyé par l'orifice marqué "close" passe à l'intérieur de la tige et du piston (10) arrive dans le cylindre principal, à l'arrière du piston de commande (5). Celui-ci poussé coté puits, entraîne la mâchoire. Le retour du fluide, chassé par le mouvement des pistons, s'effectue par le côté marqué "open".

FIG. 2.7a Schéma montrant le circuit de fermeture d’un Cameron type U La pression dans le puits aide à la fermeture du BOP, elle passe sous la mâchoire et vient s’appliquer derrière celle-ci. Théoriquement, à partir d’une certaine valeur, elle permet même de maintenir le BOP fermé après avoir purgé la pression hydraulique dans le circuit de fermeture. Pour ouvrir, après manœuvre de la vanne à quatre voies, le fluide sous pression est envoyé par l'orifice marqué "open". Il passe par la tige du piston plein (9) et arrive dans le cylindre de manœuvre à l'arrière du piston de commande. Le retour du fluide de fermeture s'effectue par le côté marqué "close".

FIG. 2.7b Schéma montrant le circuit d’ouverture d’un Cameron type U

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La pression hydraulique de fermeture des rams est utilisée pour l'ouverture des bonnets lors du changement des mâchoires. Pour cette opération, il faut : • dévisser les 8 goujons ou boulons (4 de chaque côté de l'obturateur). Ceux-ci maintenus par un clip, ne peuvent pas sortir de leur logement et tomber, • appliquer la pression du côté "fermeture". L'ensemble "bonnet + bride" étant libéré du corps, le fluide sous pression : - remplit le cylindre principal coté fermeture fermant ainsi les mâchoires - Puis remplit les cylindres de changement des mâchoires coté extérieur et les deux bonnets s’écartent. L'espace entre le corps et l’ensemble flanges intermédiaires - bonnets est suffisant pour sortir les mâchoires à l'aide d'anneaux. Pour fermer les bonnets : le fluide sous pression appliqué du coté ouverture • remplit le cylindre principal coté ouverture ouvrant ainsi les mâchoires. • Puis chasse le fluide remplissant les cylindres de changement des mâchoires coté intérieur et les deux bonnets se referment. Pendant le blocage des goujons, il faut conserver la pression coté ouverture.

FIG. 2.8 Schéma montrant à la fois les bonnets en position ouverte (coté droit) et en position fermée (coté gauche) Pour faciliter le déblocage des écrous lors de l'ouverture, il est préférable de maintenir la pression hydraulique sur "OPEN" plutôt que de mettre la vanne de commande en position neutre. Le système hydraulique du type U est conçu pour travailler sous une pression de 1500 psi. Des pressions plus faibles sont normalement suffisantes pour le fonctionnement (avec 3000 psi dans le puits et un rapport de fermeture de 7 / 1, il suffit d’environ 450 psi). Il est prévu pour fonctionner avec une pression de 3 000 psi (pression nécessaire pour couper avec les Blind Shear Rams).

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Il est possible de faire du stripping avec les BOP à mâchoires. Pour cela, il faut réduire la pression hydraulique dans la chambre de fermeture (à la limite de la fuite) pour éviter d’endommager les garnitures en caoutchouc. Il faut se servir de 2 BOP équipés de fermeture sur tiges pour pouvoir passer les tool joints. Cela nécessite d’avoir entre les deux éléments des lignes d’égalisation de pression et une distance suffisante pour placer les tool joints. 2.3.1.4 Cameron type U II (figure 2.9) La différence principale avec le Cameron type U est le système de goujons prétensionnés des bonnets, ce qui facilite leur blocage et déblocage pour ouvrir les bonnets et changer les mâchoires (voir figure 2.10 a, b, c et d pour le fonctionnement). Le principe d’ouverture des bonnets est identique à celui du type U, mais la course des pistons est réduite, ce qui diminue le poids appliqué sur les pistons de changement de mâchoires lorsque les bonnets sont écartés. Egalement pour les BOP équipés de verrouillage hydraulique, les wedgelocks sont directement montés à l’extrémité des bonnets, leur circuit d’opération peut être connecté à au circuit d’ouverture des BOP. De cette façon les wedgelocks seront ouverts avant que la pression soit appliquée sur le piston principal coté ouverture. Une chambre d’équilibrage de pression équipe les wedgelocks, elle élimine le risque que le BOP reste verrouillé à cause de la pression hydrostatique externe exercée par la colonne d’eau de mer.

FIG. 2.9 Cameron type U II équipé de wedgelocks

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FIG. 2.10a Position normale : la pression sur le goujon est relâchée, l’écrou serre le bonnet et la flange intermédiaire sur le corps du BOP

FIG. 2.10b Ouverture des bonnets : une pression de 30 000 psi est appliquée sur le goujon qui s’allonge, l’écrou peut être desserré à la main

FIG. 2.10c Fermeture des bonnets : une pression de 30 000 psi est appliquée sur le goujon, l’écrou est resserré à la main

FIG. 2.10d Retour à la position normale : la pression est relâchée, l’écrou serre de nouveau le bonnet et la flange intermédiaire sur le corps du BOP FIG. 2.10 Système de goujons prétensionnés du Cameron type U II

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2.3.2 Autres BOP à mâchoires 2.3.2.1 BOP Shaffer (figure 2.11) La conception du Shaffer est beaucoup plus simple que celle du Cameron (figure 2.11) mais le principe de fonctionnement reste identique. Le Shaffer est composé d’un corps et de deux portes. La chemise du piston est en contact direct avec le milieu extérieur, il est fermé à son extrémité extérieure par une plaque, le tout est fixé sur les portes par des tiges filetées. Pour changer les rams, il faut ouvrir manuellement les portes. Le circuit hydraulique passe dans les charnières des portes, la ligne de fermeture sort de la porte, passe à l’extérieur du cylindre et entre dans la plaque externe (voir figure 2.12). Le système d’étanchéité entre la partie hydraulique et le puits, ainsi que le système de détection de fuite (weep hole) et d’étanchéité secondaire sont logés dans l’épaisseur des portes.

FIG. 2.11 BOP à mâchoires Shaffer type SL équipé du système de verrouillage Poslock

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FIG. 2.12 Circuit hydraulique du Shaffer type SL

FIG. 2.13 Pipe et blind shear rams Shaffer Il faut faire attention au cours de la mise en place des mâchoires, elles peuvent être mises dans un sens ou dans l’autre. Il faut s’assurer que les blind shear rams sont mises dans le bon sens.

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Il existe plusieurs systèmes de verrouillage des BOP Shaffer en position fermée. • Le système manuel (figure 2.14) : les vis de verrouillage (locking shaft) sont solidaires de la tige de piston (ram shaft), il faut les dévisser pour verrouiller le BOP.

FIG. 2.14 Système de verrouillage manuel de Shaffer • Le système Poslock (figure 2.15) : Un piston secondaire (locking cone) est logé à l’intérieur du piston principal. Il y a communication entre la chambre d’ouverture du BOP et le piston secondaire. Un ressort logé à l’intérieur de ce piston secondaire le repousse vers le puits. • Lors de la fermeture du BOP, le ressort à tendance à repousser le piston secondaire coté puits, la pression dans la chambre d’ouverture étant purgée. En fin de course, les quatre segments de verrouillage (locking segments) montés sur le piston principal sont écartés par le piston secondaire sous l’action du ressort et viennent se loger dans l’emplacement prévu (locking shoulder), verrouillant ainsi le BOP en position fermée. • Lors de l’ouverture du BOP, la pression appliquée dans la chambre d’ouverture repousse le piston secondaire, comprime le ressort dégageant ainsi les 4 segments de verrouillage et le piston principal peut reculer librement.

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FIG. 2.15 Système de verrouillage Poslock de Shaffer L’inconvénient du système Poslock est qu’il n’y a qu’une seule position de verrouillage. Si la garniture en caoutchouc est un peu usée, il est possible de ne pas avoir l’étanchéité sur le tubulaire lorsque la pression dans la chambre de fermeture est relâchée. • Le système Ultralock (figures 2.16a, b et c) est très voisin dans sa conception du système Poslock. On retrouve un piston secondaire (unlocking piston) à l’intérieur du piston principal, 4 tiges de verrouillage (locking rods) et 4 chiens de verrouillage (locking dogs) montés sur ressort (les ressorts viennent plaquer les chiens contre les tiges de verrouillage). Comme dans le système Poslock, la pression appliquée dans la chambre d’ouverture repousse le piston secondaire vers l’extérieur du BOP, une chambre sous pression remplace le ressort du système Poslock, elle permet de repousser le piston secondaire du coté puits. Ce système, contrairement au Poslock, permet de verrouiller dans plusieurs positions.

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FIG. 2.16a Système de verrouillage Ultralock • Lors de la fermeture du BOP, les dents des chiens sautent sur celles des tiges de verrouillage (profil qui permet le déplacement dans ce sens mais pas dans l’autre). En fin de course, les chiens se trouvent plaqués contre les tiges de verrouillage par les ressorts et le système ne peut pas revenir en arrière (puisqu’il n’y a pas de pression appliquée dans la chambre d’ouverture).

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FIG. 2.16b Système de verrouillage Ultralock, BOP en position ouverte • Lors de l’ouverture du BOP, la pression appliquée dans la chambre d’ouverture repousse le piston secondaire qui vient dégager les chiens des tiges de verrouillage et le piston principal peut reculer librement.

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FIG. 2.16c Système de verrouillage Ultralock, BOP en position fermée

FIG. 2.16d Détail du système de verrouillage Ultralock

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2.3.2.2 BOP à mâchoires Hydril (figure 2.17) Le principe de fonctionnement est identique à celui des autres BOP à mâchoires.

FIG. 2.17 BOP à mâchoires Hydril avec système de verrouillage manuel Le BOP est équipé d’une pièce d’usure à l’endroit où se fait l’étanchéité entre le top seal et les cavités des mâchoires (voir figure 2.18 pour le détail).

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FIG. 2.18 Détail de l’étanchéité entre les rams et les rams cavities

FIG. 2.19 Circuit hydraulique du BOP Hydril

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FIG. 2.20 Différents types de rams Hydril

FIG. 2.21 Détail des blind shear rams Hydril

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Le système de verrouillage automatique des mâchoires utilisé chez Hydril est le système MPL (Multiple Position Locking). Comme le system Ultralock de Shaffer, il permet de verrouiller le BOP sur plusieurs positions. C’est un mécanisme d’embrayage, le plateau avant (coté puits) est solidaire du lock nut (voir figure 2.22 et 23 pour le détail). Lorsque le mécanisme est désengagé (ouverture du BOP), le lock nut et le plateau avant peuvent tourner librement entraînés par le filetage de la tail rod. Le plateau arrière ne peut pas tourner, mais peut se déplacer d’avant en arrière, il est poussé coté puits par des ressorts, ce qui permet d’engager le verrouillage. Il est poussé vers l’extérieur par la chemise du piston principal par l’intermédiaire du transfer ring. C’est la pression dans la chambre d’ouverture qui pousse le plateau arrière vers l’extérieur. Ce sont les ressorts du plateau arrière qui le pousse vers l’intérieur quand la pression dans la chambre d’ouverture est relâchée. Les plateaux avant et arrière sont munis de dents qui permettent la rotation dans un sens (libre rotation dans le sens inverse des aiguilles d’une montre quand on ferme le BOP), mais pas dans l’autre lorsque les deux plateaux sont en contact. Lors de la fermeture du BOP, le mouvement de la tige de piston fait tourner le lock nut qui entraîne le plateau avant, les 2 plateaux sont engagés mais la forme des dents permet la rotation du plateau avant dans ce sens. Si la pression est relâchée dans la chambre de fermeture, le BOP ne peut pas s’ouvrir car les dents ne permettent pas la rotation dans l’autre sens. Il faut appliquer une pression dans la chambre d’ouverture pour désengager le mécanisme. Lors de l’ouverture du BOP, la pression dans la chambre d’ouverture repousse vers l’arrière la chemise, qui à son tour repousse le transfer ring et le plateau arrière de l’embrayage libérant ainsi la plaque avant qui peut tourner librement avec le lock nut sur la tail rod.

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FIG. 2. 22 Système MPL (Multiple Position Locking) de verrouillage des rams

FIG. 2.23 Détails du système de verrouillage

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2.4 Les obturateurs annulaires Le principal fabricant de BOP annulaires est Hydril. Les modèles les plus courants sont GK, GL, GX, MSP pour les grands diamètres et basses pressions (diverters). Le modèle GS est conçu plus spécialement pour les opérations de snubbing et de stripping. Nous décrirons également les BOP Shaffer et Cameron avec le type D. Les BOP annulaires sont équipés d’une garniture élastique armée permettant la fermeture sur n'importe quel tubulaire présentant une surface régulière (kelly par exemple) ou sur un trou vide (non recommandé). Il ne sera pas possible de fermer et faire étanchéité sur tous les équipements descendus dans le puits (pas d’étanchéité possible sur des stabilisateurs par exemple !!). Les BOP annulaires permettent de faire du stripping sans être obligé de se servir d’un autre BOP pour passer les tool joints. Ils ne possèdent pas, comme les BOP à mâchoires, de système de verrouillage en position fermée. Si la pression est relâchée dans la chambre d’ouverture, l’étanchéité ne sera pas maintenue.

2.4.1 Hydril type GK 2.4.1.1 Description (figure 2. 24) C’est le modèle le plus couramment utilisé. Il se compose d'un corps dans lequel peut coulisser verticalement un piston. Sur ce modèle le chapeau (head) est vissé sur le corps, il existe des modèles où le chapeau est verrouillé par des chiens (voir figure 2. 28 ). Une chemise (slotted body sleeve) portant à sa partie inférieure des ouvertures permet le passage des fluides du puits. La pression dans le puits vient s’appliquer sur la face intérieure du piston et aide à la fermeture du BOP. Sur la partie supérieure intérieure conique du piston (2) vient reposer la garniture élastique à armature métallique (packing unit). Cette garniture vient en butée à sa partie supérieure sur le couvercle, et à sa partie inférieure sur le guide intérieur (4). Une chambre hydraulique d’ouverture et une chambre de fermeture permettent le déplacement vertical du piston. Des joints d’étanchéité isolent ces deux chambres entre elles et avec l’extérieur.

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FIG. 2.24 Hydril type GK avec chapeau vissé Il existe des packing units avec différents types de caoutchouc. Le choix du caoutchouc sera fonction de la nature de la boue utilisée (boue à base d’eau ou d’huile) et de la température attendue dans le puits (le point le plus important à considérer est la nature de la boue). • Le caoutchouc naturel est destiné au forage à la boue à l’eau et à des températures allant jusqu’à 225 °F (107 °C). Le packing est tout noir et NR figure dans le numéro de série. • Le nitrile est destiné au forage à la boue à l’huile et à des températures allant jusqu’à 190 °F (88°C). Le packing est marqué d’une bande rouge et NBR figure dans le numéro de série. • Le néoprène est destiné au forage à la boue à l’huile et à des températures allant jusqu’à 170 °F (77°C). Le packing est marqué d’une bande verte et CR figure dans le numéro de série.

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La présence d’H2S n’intervient pas vraiment sur le choix du caoutchouc. Les conditions de stockage des packing units sont importantes pour avoir une bonne conservation des propriétés élastiques du caoutchouc (stockage dans un endroit froid, sec et sombre). Il est possible de changer le packing unit avec des tiges dans le puits. Il faut couper le packing neuf proprement avec un couteau, ce qui permet de l’ouvrir et de le faire passer autour de la tige. 2.4.1.2 Fonctionnement L'envoi du fluide de manœuvre sous pression dans la chambre de fermeture pousse le piston vers le haut, comprimant la garniture élastique (packing unit) qui, bloquée en haut et en bas, ne peut que se refermer vers l'intérieur de l'obturateur (voir figure 2.25). L'élasticité de la garniture lui permet de faire étanchéité sur n'importe quel tubulaire (à condition qu’il ait une forme régulière !! ) ou sur câble ou même sans équipement dans le puits (utilisation en fermeture totale : Complete Shut Off), mais cela n’est pas recommandé par le fabricant. Pour obtenir une fermeture et une étanchéité correcte, il peut être nécessaire d’actionner plusieurs fois la fermeture du BOP (le packing unit pouvant parfois se mettre en travers).

FIG. 2.25 Schéma montrant la déformation du packing unit lors de la fermeture du BOP L'envoi du fluide de manœuvre sous pression dans la chambre d’ouverture repousse le piston vers le bas, décomprimant la garniture élastique qui reprend sa forme initiale. Une tige d'acier (9) sur certains modèles, connaître la position du piston.

sortant du corps de l'appareil permet de

Une vis d'arrêt (10) marque le serrage maximal du chapeau.

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2.4.1.3 Utilisation d'annulaire à chapeau vissé Il est souvent très difficile de débloquer les chapeaux d'obturateurs Hydril de type vissé. La bonne technique consiste à : • confectionner un outil de dévissage consistant en une plaque de base percée suivant la série et la dimension nominale de l'obturateur. Au centre, souder et renforcer par des équerres, un morceau de tiges 5" (longueur à ajuster suivant la distance entre la face supérieure du BOP et une hauteur correcte au-dessus de la table pour y placer la clé de déblocage), • débloquer le chapeau à chaque fin de puits avant de sortir le BOP, • à chaque démontage du chapeau, utiliser une graisse à base de plomb ou de cuivre, mais sans excès, après avoir enlevé l'ancienne et brossé les fonds de filet pour éliminer le métal contenu dans la graisse. 2.4.1.4 Pressions de fonctionnement • En cas de venue, le fluide du puits, sous pression aide à la fermeture, en passant par les orifices situés à la base du guide intérieur. • Sur les systèmes de commande des BOP, un régulateur de pression permet de régler la pression de fermeture, ce qui permet d’éviter une usure trop rapide de la garniture en caoutchouc. Pour faire du stripping, il est recommandé d’avoir une bouteille préchargée en azote sur la ligne de fermeture pour amortir les variations de pression au passage des tool joints (voir figure 2. 26). Il faut ajuster la pression hydraulique de fermeture pour être à la limite de la fuite (ce qui permet une lubrification entre la tige et le packing unit) et régler la pression d’azote dans la bouteille (environ la moitié de la pression appliquée dans la chambre de fermeture) pour avoir une variation de pression de l’ordre 100 psi au maximum lors du passage des tool joints pour que l’opération se passe correctement.

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FIG. 2.26 Stripping avec un BOP annulaire (BOP en position fermée) • Pour les tests périodiques, il est préférable de fermer sur tiges, aux pressions recommandées plutôt que de fermer sur les drill collars, (il faut surtout éviter de fermer sans tubulaire dans le puits) Hydril recommande, lors de la mise en service d'une garniture neuve, un essai de fermeture totale à 1500 psi maximum. • Le graphe de la figure 2. 27 permet de déterminer la pression hydraulique minimum à appliquer dans la ligne de fermeture pour faire étanchéité sur un diamètre de tubulaire donné en fonction de la pression dans le puits. CSO signifie Complete Shut Off : le BOP est utilisé en fermeture totale.

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FIG. 2.27 Graphe donnant la pression hydraulique à appliquer pour fermer un BOP annulaire en fonction de la pression dans le puits et du diamètre du tubulaire • Exemples : Avec des tiges 5", il faut appliquer au départ environ 650 psi pour établir l’étanchéité ensuite on pourra réduire la pression à environ 350 psi si la pression sous le BOP atteint 1 000 psi. Avec des tiges 3 1/2", il faut appliquer au départ environ 700 psi pour établir l’étanchéité ensuite on pourra réduire la pression à environ 200 psi si la pression sous le BOP atteint 2 000 psi.

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2.4.2 Hydril type GL (figure 2. 28) Il est principalement conçu pour les têtes de puits sous-marines. Le principe de fonctionnement est identique au GK : dans un corps en acier, un piston comprime une garniture élastique ; celle-ci, maintenue par le chapeau et le guide inférieur, ne peut se déplacer que dans un plan horizontal en direction de l'axe central de l'obturateur. Des modifications ont été apportées, par rapport au GK, du fait que : • en utilisation sous-marine, la pression hydrostatique de la colonne de boue du riser s'applique sur le piston et s'oppose à la fermeture du BOP; • Sur un flottant, la garniture subira un effet de "stripping" plus ou moins important, dû au pilonnement de l’appareil et la durée de vie de la garniture en sera réduite d'autant, d’où l’utilisation d’un packing unit avec une forme légèrement différente (long life packing) sur ce modèle.

FIG. 2.28 Hydril type GL

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2.4.2.1 Modifications apportées par rapport au GK La chambre d'ouverture et la chambre de fermeture sont de même section. Le chapeau n'est plus vissé, mais maintenu par vingt éléments dentelés, actionnés chacun par une vis de poussée (ce type de montage existe également sur les modèles GK). Lors du changement de garniture, la chambre d'ouverture est protégée du milieu extérieur (eau de mer, boue) par une bague étanche (opening chamber head) maintenue elle-même en place par un circlip. Une chemise en bas du corps (outer body sleeve) délimite une chambre hydraulique supplémentaire située à la base du piston appelée chambre d’équilibrage (balancing chamber ou secondary chamber), complètement indépendante des deux autres chambres Cette chemise diminue la surface sur laquelle agit la pression venant du puits et permet également d’éliminer une zone d’accumulation de déblais en bas du piston qui peut empêcher le retour complet à sa position basse. Le rôle de la balancing chamber est d’équilibrer la pression hydrostatique de la colonne de boue dans le riser qui s’oppose à la fermeture du BOP. La surface de cette chambre est égale à la surface du packing unit sur laquelle la pression hydrostatique de la colonne de boue dans le riser s’applique. Donc, lorsque cette chambre est relié au pied du riser, les forces appliquées dans les deux sens s’équilibrent parfaitement. La "balancing chamber" peut être reliée de plusieurs façons à l’unité de commande hydraulique (voir figure 2. 29 et 2.30) suivant que l’on veut minimiser le volume de fluide pompé et ainsi le temps de fermeture ou que l’on désire réduire la pression nécessaire pour fermer. • Pour une utilisation BOP surface (figure 2.29) • Dans le montage standard (recommandation Hydril), la chambre d’équilibrage est reliée à la chambre d’ouverture. Ce montage nécessite un volume d’huile plus faible pour fermer le BOP, ce qui donne un temps de fermeture plus court. Il faut appliquer une pression hydraulique d’environ 1000 psi avec 2000 psi dans le puits pour faire étanchéité sur des tiges 5". • Dans le montage optionnel, la chambre d’équilibrage est reliée à la chambre de fermeture, ce qui permet de réduire la pression de fermeture d’environ 30 % mais ce qui rallonge le temps de fermeture car le volume d’huile à fournir est plus important.

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FIG. 2.29 Différentes possibilités de montage pour une utilisation BOP surface • Pour une utilisation BOP sous-marins (figure 2.30), le montage recommandé dépend de la profondeur d’eau. • La balancing chamber peut être reliée directement au pied du riser. Ce montage est recommandé pour des profondeurs d’eau supérieures à 400 m (1 200 pieds). Quelque soit la profondeur d’eau et la densité de la boue dans le riser, la force s’opposant à la fermeture du BOP est annulée. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire d’ajuster la pression hydraulique de fermeture en fonction de la densité de la boue dans le riser et de la profondeur d’eau et le temps de fermeture est plus court. • La balancing chamber peut être reliée à la chambre de fermeture. Ce montage est recommandé pour des profondeurs d’eau supérieures à 200 m (600 pieds). Ce montage donne un temps de fermeture égale à celui du montage précédent, mais il sera nécessaire d’ajuster la pression de fermeture en fonction de la profondeur d’eau et de la densité de la boue dans le riser.

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FIG. 2.30 Différentes possibilités de montage pour une utilisation BOP sous-marin • La balancing chamber peut être reliée à la chambre d’ouverture. Ce montage est recommandé pour des profondeurs d’eau inférieures à 250 m (800 pieds). La pression nécessaire pour fermer sera réduite d’environ 30 % mais le temps nécessaire pour la fermeture sera plus long. • Une bouteille préchargée en azote peut être installée sur les lignes de fermeture et d’ouverture. La précharge en azote doit tenir compte de la profondeur d’eau et de la densité de la boue. Toutes les informations concernant les différentes façons de connexion et les pressions à appliquer sont données le manuel d’instruction Hydril.

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2.4.3 Shaffer sphérique (figure 2. 31) Il se compose de : • un corps en acier avec un chapeau hémisphérique (fermeture par 24 goujons et écrous ou par un système de coins), • un piston avec des joints d'étanchéité, • une garniture élastique armée hémisphérique entre le piston et le chapeau, sa forme facilite le passage des tool joints lorsque le BOP est fermé. • une bague (adapter ring) qui ferme la chambre supérieure empêchant toute pollution lors de l'ouverture du chapeau, • un corps comprenant deux ouvertures pour l'entrée du fluide de manœuvre (ouverture supérieure relié à la chambre d’ouverture, ouverture inférieure reliée à la chambre de fermeture).

FIG. 2.31 BOP annulaire Shaffer avec fermeture du chapeau par coins

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Le principe de fonctionnement est identique à celui de l'obturateur Hydril GK. La garniture poussée de bas en haut par le piston, guidé en haut par le chapeau hémisphérique, ne peut se déformer que vers le centre de l'obturateur. Shaffer recommande une pression de fermeture de 1 500 psi quelque soit la pression dans le puits, le diamètre du tubulaire et la densité de la boue utilisés. Attention lors de la réouverture du BOP, il faut vérifier que le packing unit ne s’est pas mis de travers en revenant à la position ouverte.

2.4.4 Cameron type D 2.4.4.1 Description Il est de conception plus complexe que les autres BOP annulaires (voir figures 2. 32 et 2. 33). Il est constitué d'un corps forgé dans lequel a été incorporé un piston (operating piston) manoeuvré par de l'huile injectée dans la chambre de fermeture ou dans la chambre d'ouverture. Le principe de fonctionnement reste identique à celui du GK. Le piston pousse la plaque de transmission (pusher plate) qui comprime le donut (uniquement en caoutchouc) encerclant le packer (garniture en caoutchouc armée) proprement dit. Le chapeau (top) referme l'ensemble et permet l'accès au packer et au donut. Le système de déverrouillage du chapeau permet un accès simplifié et rapide. Contrairement aux autres modèles, la pression dans le puits ne vient pas s’appliquer directement sur le piston et n’aide pas à la fermeture. Cameron recommande une pression de fermeture de 1 500 psi. Le BOP est équipé de deux vent line (mise à l’air) qui permettent de détecter des fuites hydrauliques dans la chambre de fermeture et d’ouverture. 2.4.4.2 Le déverrouillage rapide Le corps est usiné avec des dentelures, dans lesquelles vient s'accrocher un anneau élastique (locking ring) poussé radialement en place par un second anneau (actuator ring). En position haute cet anneau "actuator" permet à l'anneau de verrouillage élastique (locking ring) de se resserrer et donc de se dégager des dentelures. Le chapeau est alors déverrouillé. S'il ne se rétracte pas, on peut toujours le décoincer en tapant sur un "jet" de bronze ou d'aluminium enfilé dans des orifices percés dans le corps (lock ring access port plugs). Pour déverrouiller le chapeau, il faut dévisser les 4 goujons (actuator ring stop screws) solidaires de l’actuator ring.

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FIG. 2.32 BOP annulaire Cameron type D 2.4.4.3 La membrane d'étanchéité La conception originale de cet élément est le point fort du système Cameron D. La membrane (packer) est constituée d'inserts disposés en iris. Lorsque le donut est comprimé par le piston, il se déforme radialement vers le centre et fait diminuer le diamètre extérieur du packer ; les inserts pivotent en s'appuyant les uns sur les autres ce qui diminue le diamètre de l'alésage intérieur. Le pivotement s'arrêtera lorsqu'il y aura butée mécanique soit sur le tubulaire, soit entre les inserts, dans le cas de fermeture totale (le même système est utilisé pour les rams variables). Cameron recommande de changer le donut et le packer en même temps.

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FIG. 2.33 Détail du Cameron type D

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2.5 Diverters Dans certaines contrées (Nigeria, Indonésie, Thaïlande, Hollande, ...), on rencontre des gaz piégés à faible profondeur (shallow gas), parfois très près de la surface. Il n'est pas possible de contrôler ces venues par la méthode normale, il ne faut pas fermer le puits car il y un risque important de craquage des formations mais il est indispensable de pouvoir fermer en tête de puits pour éviter que le gaz se répande sur l’appareil. L’ensemble sera muni d’une ou plusieurs sorties latérales de grand diamètre pour diriger l'effluent vers le bourbier ou la torche. Pour se faire, on utilise un diverter. Il est composé : • d'un obturateur type annulaire avec un grand diamètre intérieur de passage et une faible pression de service, placé au sommet de la tête de puits, • d'une ou plusieurs sorties latérales situées sous l'obturateur, de grand diamètre (au minimum de 12" pour limiter l’érosion) et équipées de vannes commandées à distance qui s'ouvrent dès qu'on initie la fermeture de l'obturateur (il est important que le puits ne se retrouve jamais fermé). Sur les dispositifs équipés de 2 lignes d’évacuation, on sélectionnera la ligne à utiliser en fonction de la direction du vent.

FIG 2.34 Hydril modèle MSP (modèle souvent utilisé comme diverter en début de puits)

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FIG. 2.35 Utilisation d’un annulaire façon BOP et façon diverter La procédure de contrôle à appliquer en cas de venue de shallow gas est décrite dans le cours de prévention des éruptions. Le diamètre des lignes d’évacuation doit être le plus grand possible pour réduite au maximum l’érosion de la conduite. On a relève des érosions de métal de l’ordre de 2mm / min (2 millimètre par minutes !) dans une conduite 14", alors que dans une conduite 28", elle n’est plus que de 0.6 mm / h (ce qui fait une différence considérable sur la durée de vie des conduites). Toujours pour réduire au maximum l’érosion, il faut éviter les coudes et les changement de section sur les lignes d’évacuation. Généralement les sorties sont de 12", mais elles peuvent être équipées de conduites de plus grand diamètre. Pour opérer l’ensemble diverter – vanne latérale, il n’y a qu’une seule commande à actionner, on a sélectionné à l’avance la ligne d’évacuation. La commande est conçue de façon à ce que la vanne s’ouvre avant que le BOP soit fermé. Ce système peut poser des problèmes (vanne qui reste fermé, …) et le puits peut se retrouver totalement fermé entraînant en général le craquage des formations et le risque d’effondrement des terrains. Pour éviter ce genre de problème, il existe des systèmes où la ligne d’évacuation est automatiquement ouverte lorsque le BOP est fermé : sur le modèle Hydril FSP (voir figure 2.36), le piston du BOP sert de vanne. Lorsque le BOP est ouvert, le piston obture la sortie latérale, lorsque le BOP est fermé, le piston en position haute ouvre la ligne et permet l’évacuation.

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FIG. 2.36 Hydril modèle FSP Il existe également des vannes (Hydril modèle DS) permettant de sélectionner la direction d’évacuation (bâbord ou tribord) construites de façon que l’une des lignes soit toujours ouverte (voir figure 2.37).

Evacuation coté bâbord

Evacuation coté tribord FIG. 2.37 Vanne Hydril modèle DS

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Le montage avec le modèle FSP reste identique à celui de la figure 2. 35. Le tube fontaine (bell nipple) placé au dessus du BOP relie la goulotte (flow line). Sur les engins flottants, un diverter est incorporé sous la table de rotation en haut du joint télescopique (voir figure 2.38). Sa pression de service est en général de 500 psi. Le point faible du système du point de vue de la pression est l’étanchéité au niveau du joint télescopique (slip joint).

FIG. 2.38 Système de diverter Vetco KFDS

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1 : ligne de fermeture (pas de ligne d’ouverture, le BOP s’ouvre dès que la pression est relâchée), 2 : garniture extérieure (outer packer), 3 : sortie latérale, 4 : joints d’étanchéité, 5 : garniture intérieure (insert packer), 6 : système de verrouillage dans le corps du BOP, 7 : corps du BOP, 8 : vis de verrouillage (lock down dogs) des packers dans le BOP.

FIG. 2.39 Détail du diverter utilisé sur les flottants Il existe le système FS pour flottants développé par Hydril (figure 2.40). Avec ce système, les fluides du puits sont dirigés vers les tamis vibrants lorsque le BOP ouvert, la ligne d’évacuation diverter étant fermée. Lorsque le BOP est fermé, les fluides du puits sont évacués par la ligne diverter, la sortie vers les tamis vibrants étant fermée (figure 2.41 a et b).

FIG. 2.40 Diverter Hydril modèle FS

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FIG. 2.41a Détails du montage avec l’Hydril FS (diverter ouvert)

FIG. 2.41b Détails du montage avec l’Hydril FS (diverter fermé)

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2.6 Obturateurs internes de garniture (Inside BOP) Ce sont les équipements qui permettent d'obturer "plus ou moins facilement et rapidement" l’intérieur de la garniture de forage pour éviter le retour de fluide. Leur pression de travail doit être égale ou supérieure à la pression de service de la tête de puits. Certains équipements sont placés en surface (kelly cock, Gray valve), d’autres au niveau de l’outil (check valve, flapper valve), d’autres doivent être mis en place par pompage drop in check valve).

2.6.1 Dispositifs d'obturation en surface Le système d’entraînement en rotation du train de tiges en surface (kelly ou top drive system) est équipé de 2 kelly cocks (upper kelly cock et lower kelly cock). Ils permettent de fermer l’intérieur du train de tiges lorsque le système d’entraînement est connecté au train de tiges (forage, circulation, …). Ce sont des vannes plein passage, à fermeture rapide (vanne quart de tour), la vanne supérieure est souvent équipée d’un système de commande à distance opéré par le chef de poste Lorsque l’entraînement est fait avec une kelly, le kelly cock supérieur est placé au dessus de la kelly et les filetages ont un pas à gauche, le kelly cock inférieur en bas de la kelly. Que l’on utilise une kelly ou une top drive, la déconnection entre le système d’entraînement et la garniture se fait sous le lower kelly cock. La vanne inférieure sert aussi de sécurité en cas de problème avec le kelly cock supérieur. En cours de manœuvre, il n’y a pas de système d’obturation permanent sur la garniture. Il faut fermer en premier l’intérieur de la garniture dès qu’un signe de venue se manifeste (voir cours PE pour la procédure à suivre en cours de manœuvre). On dispose de plusieurs équipements pour réaliser cette opération, l’idée étant de pouvoir redescendre au fond du puits avec ces équipements (puits ouvert si le puits ne débite pas, en stripping si le puits débite) et circuler. Il faut donc incorporer dans la garniture un équipement type clapet antiretour pour arrêter le débit venant du fond et être capable de circuler. Mais si le puits débite, il peut être très difficile de mettre ce type d’équipement en place. Donc la recommandation est de placer en premier un kelly cock puis un clapet anti-retour (Gray valve ou drop in check valve). 2.6.1.1 Les kelly cocks (kelly guard ou kelly valve)(figure 2.42) Ce sont des vannes à boisseau sphérique actionnées par une clé (à Allen ou autre), il suffit de faire un quart de tour pour fermer. Ce sont des vannes plein passage, en position ouverte, elles permettent le passage du fluide sans restriction, donc il sera possible de les visser même

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si le puits débite de façon conséquente. Mais en position fermée, elles ne permettent pas la circulation. Donc il faut toujours ajouter un autre équipement si l’on veut redescendre dans le puits et circuler. Les filetages doivent être les mêmes que ceux des tiges de forage utilisées dans le puits. Le point faible des kelly cocks est généralement l’étanchéité au niveau du logement de la clé. Leur pression de service est généralement 10 000 psi.

FIG. 2.42 Kelly cock Hydril en position fermée

FIG. 2.43 Eclaté et détail du kelly cock Hydril

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2.6.1.2 La Gray valve (figure 2.44) C’est un clapet anti-retour, on peut circuler en direct dans les tiges, mais pas en inverse. Cet équipement sera très difficile à mettre en place si le puits débite même faiblement (d’où la mise en place en premier d’un kelly cock en cas de signe de venue).

1 : vis de verrouillage pour maintenir la vanne en position ouverte, 2 : dispositif de manœuvre qui permet de mettre en place la vanne sur le train de tiges, 3 : tige pour maintenir la vanne ouverte, 4 : corps supérieur, 5 : siège, 6 : clapet, 7 : ressort pour maintenir le clapet fermé, 8 : corps inférieur.

FIG. 2.44 Gray valve La Gray valve doit être en permanence sur le plancher de forage en position ouverte. Une fois vissée sur le train de tiges, il faut dévisser l’ensemble de manœuvre (2) du corps supérieur. La vis (1), la tige (3) et l’ensemble de manœuvre sont solidaires, le ressort plaque le clapet contre le siège et la vanne est fermée. Les filetages doivent être les mêmes que ceux des tiges de forage utilisées dans le puits. L’inconvénient de ce système est qu’une fois en place il n’est plus possible de descendre des outils au câble (perforations, back off, etc.) au dessous. Il y a aussi un risque important de bouchage si on est amené à pomper des colmatants. Si bien que certaines compagnies interdisent son utilisation.

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2.6.1.3 Le Reggan shut off coupling (figure 2.45)

FIG. 2.45 Reggan shut off coupling Ce n’est pas à proprement dit un système qui ferme le puits, il permet de coiffer le train de tiges plus facilement si le puits débite, son poids impose de le manipuler au treuil à air. Pour fermer l’intérieur de la garniture, il faut l’équiper d’un kelly cock (mais pas d’une Gray valve). Ce dispositif présente de nombreux inconvénients : • Un fois en place, il n’est pas possible de descendre directement la garniture. Il faudra pomper la DICV (Drop In Check Valve), l’ancrer dans son landing sub avant de pouvoir enlever le Reggan et redescendre dans le puits (voir procédure de mise en place de la DICV : paragraphes 2.6.3 et 2.6.4). • Il doit être absolument équipé d’un kelly cock, une Gray valve ne peut pas faire l’affaire, il faut pouvoir passer la DICV dedans !! • La connexion avec la garniture n’est pas très sure. Il ne permet pas la rotation de la garniture. Il est prévu pour une longueur donnée de tool joints et l’étanchéité autour de certains tool joints peut poser problème. Ces inconvénients font que ce système n’est plus utilisé, son seul avantage étant son poids qui assure que l’on va coiffer la garniture même si le débit par les tiges est important.

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2.6.2 Dispositifs placés au niveau de l’outil Ce sont les classiques soupapes à clapets anti-retour placés dans le sub au-dessus de l'outil et qui empêchent tout retour de boue à l'intérieur des tiges. Ils possèdent quelques désavantages : • risques de bouchage par colmatants, • difficulté de lecture de pression en tête des tiges en cas de venue, ce qui complique un peu la détermination de Pt1 (pression stabilisée en tête de tiges), • obligation de remplissage de la garniture en manœuvre de descente (la descente de la garniture sans remplir les tiges peut causer une venue si l’étanchéité du clapet vient à lâcher). • Il existe deux types de modèles : • Les soupapes Baker. Le mécanisme de fermeture est identique à celui de la Gray valve. Un ressort plaque le clapet contre le siège (figure 2.46). • Les modèles type flapper valve (figure 2.47). Ils sont équipés d’un système permettant de les maintenir ouvert pendant la descente de la garniture qui se trouve de ce fait toujours remplie. La pression de service de ces équipements est généralement 10 000 psi.

FIG. 2.46 Clapet anti-retour

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FIG. 2.47 Flapper valve Hydril

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2.6.3 Dispositifs à pomper dans la garniture Ils nécessitent un sub pour venir s’ancrer à l’intérieur (le landing sub). Ce sub est placé à un endroit choisi de la garniture généralement en bas des tiges. C’est un système anti-retour qui vient s’ancrer dans le sub, pour cela il doit être pompé (il ne descendra pas tout seul jusqu’au sub surtout dans les puits déviés !!). La bille poussée par un ressort fait étanchéité sur le siège et évite le retour par l’intérieur des tiges. Lorsque l’on pompe par les tiges, la pression ouvre le clapet, la bille est repoussée et le ressort comprimé. Le dispositifs le plus connu est la drop in check valve (DICV) Hydril (fig. 2.48) Remarque "très importante" :S’assurer que le diamètre de passage intérieur de tous les équipements placés entre la surface et le landing sub (kelly cock, DP, etc. ) permettent le passage de la DICV !!! Il faut vérifier aussi régulièrement l’état du landing sub (surface sur laquelle se fait l’étanchéité, zone d’ancrage). La drop in check valve peut se retirer au câble avec un outil de repêchage prévu pour cela ou lors de la remontée de la garniture lorsque le sub est au jour.

2 : chiens d’ancrage dans le landing sub, 3 : coins permettant l’ancrage dans le sub , 4 : garniture d’étanchéité entre la DICV et le sub, 5 : corps de la DICV, 7 : bille faisant l’étanchéité intérieure, 8 : ressort pour repousser la bille sur le siège.

FIG. 2.48 Drop in check valve(DICV) et son landing sub

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2.6.4 Procédures à appliquer en cas de signe de venue en cours de manœuvre 2.6.4.1 Utilisation d’une top drive Lorsque le rig est équipé d’une top drive, on peut reconnecter rapidement la top drive sur le train de tiges et débloquer la connexion au dessus du kelly cock inférieur pour mettre en place un dispositif anti-retour (Gray valve ou DICV). Il faut faire attention avec certains types de top drives, il peut être nécessaire de passer pas mal de temps pour démonter une partie de la top drive et dévisser au dessus du kelly cock. Donc en définitive, il est plus simple de mettre en place à la main un kelly cock. 2.6.4.2 Utilisation d’une Gray valve Lorsque l’on utilise une Gray valve, il faut rappeler qu’il sera difficile de visser la Gray valve si le plus débite même légèrement. La procédure sera : • Mettre en place un kelly cock et le fermer, • Mettre en place la Gray valve, • Ouvrir le kelly cock avant de descendre la garniture. 2.6.4.3 Utilisation d’une DICV Lorsque l’on utilise une DICV, il faut se rappeler qu’elle ne viendra pas s’ancrer toute seule dans son sub. La procédure sera : • Mettre en place un kelly cock et le fermer, • Placer la DICV au dessus du kelly cock et connecter la kelly ou la top drive, • Ouvrir le kelly cock et pomper la DICV jusqu’à l’ancrage dans son sub en circulant sous duse avant de commencer la descente de la garniture. Il faudra pomper un volume correspondant au volume intérieur de la garniture entre la surface et le sub, ce qui peut représenter un volume important (environ 10 m 3 par 1000 m de tiges 5") donc un temps assez long. Il sera difficile de savoir quelle pression de refoulement il faut appliquer lorsque l’outil est loin du fond pour maintenir une pression de fond correcte. La façon de faire la plus rapide est de commencer de suite la circulation à débit réduit en maintenant la pression de refoulement constante et égale aux pertes de charge mesurées auparavant avec ce débit augmentée de la pression lue en tête de tige après fermeture des tiges (en principe elle doit être égale à 0 puisque cet équipement sera normalement mis en place suite à une venue en manœuvre). Puisque toute la garniture n'est pas dans le puits, la pression appliquée sur le fond sera plus élevée qu’il n’est nécessaire (pression sur le fond d'autant plus élevée que l'outil est loin du fond). Mais comme les pertes de charge dans les

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tiges sont relativement faibles (de l’ordre de 1 à 2 bar par 1000 m de tiges 5" avec un débit de 500 l/min avec une boue de densité 1.20), la surpression appliquée sera en principe faible. La mise en place d'une DICV sera une opération relativement longue. De plus, il y a des risques importants d'avoir un ancrage et / ou une étanchéité défectueux au niveau du landing sub. Une solution peut être d'utiliser la DICV à la façon d'une Gray valve. Le landing sub n'est pas incorporé dans la garniture de forage, il est au plancher et est placé au dessus du kelly cock avec la DICV à l'intérieur en cas de signe de venue. Cela permet d'avoir une mise en place simple et rapide, de s'assurer d'un bon ancrage et d'une bonne étanchéité dans le landing sub et d'avoir un obturateur interne que l'on peut repêcher au câble si nécessaire. Quelque soient les équipements utilisés, il faut disposer au plancher de toutes les réductions nécessaires pour pouvoir se connecter sur tous les éléments du train de tiges dans le puits (subs NC 50 femelle par 6 5/8 Reg, 7 5/8 reg, etc.. mâle).

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2.7 Obturateurs rotatifs (en cours de développement)

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CHAPITRE 3

TEST DES TÊTES DE PUITS Les équipements utilisés pour contrôler et circuler une venue doivent être tester à intervalle régulier. Les tests à effectuer sont de deux types : tests de fonctionnement et test en pression. En aucun cas, lors du test en pression d’un équipement, la pression de travail (ou pression de service, working pressure) de cet équipement doit être dépassée. Remarque : Pression de service (working pressure) – pression d’épreuve (test pressure) : la pression d’épreuve est réservée au fabricant et concerne le corps de l’équipement, elle est égale à 2 fois la pression de travail pour les équipements qui ont des pressions de service inférieures ou égale à 5 000 psi, elle est égale à 1.5 fois pour les pressions de service supérieures à 5 000 psi.

3.1 Les tests de fonctionnement L’API recommande (API RP 53. Section 7.A.4) de faire des tests de fonctionnement au montage et à chaque manœuvre mais pas plus d’une fois par jour. Le test doit être effectué pendant la manœuvre de tiges avec l’outil dans le casing. L’API recommande la procédure suivante : • Installer un BOP intérieur sur le train de tige, • Opérer les HCR, • Opérer les duses, • Vérifier le choke manifold en circulant à travers chaque duse pour s’assurer qu’elles ne sont pas bouchées, • Fermer tous les BOP à mâchoires • Il n’est pas nécessaire de tester les BOP annulaires à chaque manœuvre, cependant ils doivent être opérer à intervalles réguliers ne dépassant pas 7 jours. Test de fonctionnement des BOP sous-marins :

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La seule différence avec les BOP surface (voir API RP 53 section 7.B.5) est le test des blind et des blind shear rams, ils doivent être seulement testés à l’installation et à chaque début de phase.

3.2 Les tests en pression L’API RP 53 (section7. A) recommande de faire des tests en pression. • à chaque montage, • en début de chaque phase, • à l'entrée d'une zone de transition, • chaque fois qu'un démontage, même partiel, a été effectué (changement d'une vanne, ouvertures des portes pour changement de mâchoires, etc.), • au moins une fois tous les 21 jours. Avant d'effectuer un test, il faut : • analyser les éléments qui sont soumis à la pression, afin de vérifier que l'élément le plus faible supporte la pression de test prévue, • envisager la possibilité de la fuite du fluide de test et les conséquences que cela peut avoir (montée en pression dans l'annulaire, etc.). Chaque test doit être précédé d'une circulation à l’eau claire à travers tous les circuits et chaque élément sera testé séparément avec la pression venant du puits. Les tests seront effectués pour commencer à basse pression (20 à 30 bar environ, 200 à 300 psi, souvent 500 psi sur le chantier) avant d'être effectués à haute pression. La pression de test ne devra pas dépasser la pression de service de la tête de puits et sera d'au minimum 70 % de la pression de travail des obturateurs. Cependant, cette pression se limitera à la plus faible pression de service de la tête de puits ou à 70 % de la pression d'éclatement de la partie supérieure du casing, mais en aucun cas la pression de test ne sera inférieure à la pression attendue en tête. Les obturateurs annulaires ne seront testés en général qu'à 50 % de leur pression de service. Les BOP internes (kelly cock, Gray valve, DICV, check valves, etc.) seront testés à la même pression que les éléments du stack BOP. Ils doivent être testés avec la pression appliquée en dessous. Test en pression des BOP sous-marins :

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En plus des points cités pour les BOP surface, l’API mentionne que les tests doivent être réalisés à intervalles réguliers mais pas plus d’une fois par semaine. Les tests en pression peuvent être fait avec un tester cup et un tester plug. Avec le tester cup, une partie du casing est mise en pression, ce qui permet de tester les étanchéités entre le casing et le spool correspondant

3.2.1 Avec le tester cup Cet outil de test, vissé au bout des tiges, est descendu de 10 à 30 mètres dans le tubage. Il est possible de visser au-dessous 1 ou 2 tiges qui serviront de guidage et de poids pour faciliter la descente. Chaque jeu de mâchoires sur tige, ainsi que les vannes, sont testés séparément : • soit en pompant dans l'annulaire par la kill line, • soit en tirant sur le "tester cup", si on ne possède pas d'unité de pompage haute pression.

FIG. 3.1 Tester cup

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Note :

Les blind rams et les blind shear rams ne peuvent pas être testés avec cet équipement car le cup ne peut pas être ancré ou posé dans le tubage.

L’intérieur des tiges utilisées ne doit pas être fermé pendant le test. S'il y a fuite sur le cup, l'écoulement du fluide de test se manifestera sur le plancher de forage, le casing sous le cup et la formation ne seront pas mis en pression. Bien que l’intérieur des tiges soit ouvert, il est recommandé de contrôler le volume de fluide pompé pour monter en pression et d’ouvrir les vannes des spools en cas de fuite au niveau des étanchéités casing - spools. La compressibilité des liquides est donnée à titre indicatif : • Environ 0.04 litres / m3 / bar pour l’eau, • Environ 0.08 litres / m3 / bar pour l’huile, • Environ 0.04 à 0.08 litres / m3 / bar pour la boue. Les coupelles (cups) doivent correspondre au poids nominal du casing dans lequel le tester cup est descendu. La pression appliquée sur le cup produira une tension sur les tiges. Par exemple, le tester cup Cameron 9"5/8 pour casing de 43.5 à 53.5 lbs a une surface soumise à la pression de 42.4 in2. Avec une pression de test de 5 000 psi, la tension appliquée sera de : 42.4 x 5 000 = 212 000 lbs, soit environ 100 tonnes. Lors du test, les tiges de manœuvre sont soumises à la fois à une tension et à une pression d’écrasement (l’intérieur des tiges est ouvert à l’atmosphère). Il faudra donc tenir compte de la combinaison de ces deux contraintes, ce qui diminue de façon conséquente la traction maximum applicable sur les tiges. A titre d’exemple, pour un test à 5 000 psi (350 bar) la capacité de traction des tiges 5", 19.5 lb/ft, classe premium, NC 50 est réduite d’environ : • 60 % pour les E, ce qui donne une tension maximum applicable d’environ 56 t, • 45 % pour les X95, ce qui donne une tension maximum applicable d’environ 100 t, • 45 % pour les G105, ce qui donne une tension maximum applicable d’environ 110 t, • 35 % pour les S 135, ce qui donne une tension maximum applicable d’environ 165 t, Les tensions maximum sont données sans coefficient de sécurité, il faudrait diminuer ces valeurs au moins de 10 %, voir 20 %. Il n’est pas possible de faire un test à 10 000 psi (700 bar) avec des tiges 5", 19.5 lb/ft, classe premium, NC 50 car les pressions d’écrasement de tous les grades sont inférieures à 700 bar (693 bar pour les S 135). Cela conduit à descendre un tester cup avec des heavy weight .(tiges qui ont des résistances à la traction et à l’écrasement très supérieures à celle des tiges de forage).

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3.2.2Avec le tester plug C'est une olive avec des O-ring d'étanchéité, descendue avec les tiges et venant se poser dans le casing spool situé sous les BOP, à la place du casing hanger, donc il est nécessaire de retirer le wear bushing avant de commencer le test. Utilisé dans un sens, le plug sert pour réaliser le test, utilisé dans l’autre sens, il sert d’outil de mise en place et de retrait du wear bushing. Le plug permet de tester tous les équipements placés au dessus du plug sans mettre le casing en pression. La fermeture totale peut être testée en munissant l'olive d'un bouchon. Les tiges (non bloquées) sont dévissées et remontées. Il est recommandé d'ouvrir une vanne ou une sortie sous le tester plug afin d'éviter de mettre le casing en pression en cas de fuite aux O-rings d'étanchéité. Il est recommandé également de mesurer le volume de fluide pompé pour monter en pression (seul moyen de détecter une fuite avec des BOP sous-marins. Cet outil permet donc de tester à la pression de service les BOP et le réceptacle du casing hanger suivant. Par contre, il ne permet pas de tester le pack off (ou secondary seal) du casing précédent.

FIG. 3.2 Tester plug servant également d’outil de pose du wear bushing

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FIG. 3.3 Test des pipe rams et du BOP annulaire avec un tester plug

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FIG 3.4 Test des fermeture totales avec un tester plug

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3.3 Résultats des tests L'essai en pression est considéré satisfaisant : • lorsque la pression est restée stable pendant au moins 3 minutes (recommandation API). • Et lorsque sa valeur est également restée à l'intérieur d'une fourchette comprise entre la pression de test et cette pression moins 5%.

FIG. 3.5 Enregistrement d’un test BOP

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CHAPITRE 4

UNITÉ D’ACCUMULATION ET DE COMMANDE DES BOP 4.1 Unité de commande de BOP surface L'unité de commande fournit le fluide hydraulique sous pression pour opérer les différents obturateurs de surface et les vannes annexes. La pression de fonctionnement du système habituellement utilisé est de 3000 psi. Un poste de commande à distance permettant de réaliser toutes les fonctions sera installé sur le plancher de forage. Un ou plusieurs autres postes permettant de réaliser un nombre réduit de fonctions peuvent être installés sur le chantier. Le système utilisé pour les obturateurs de surface est un circuit fermé : chaque obturateur ou opérateur de vanne auxiliaire est relié à l'unité de commande par une ligne de fermeture et d'ouverture. Lorsque l'on commande une fonction, par exemple la fermeture d'un obturateur à mâchoire, le fluide hydraulique sous pression est envoyé dans la chambre de fermeture de l'obturateur et le fluide se trouvant dans la chambre de fermeture est chassé vers le réservoir de l'unité de commande. Cette unité permet de disposer en permanence d'une réserve de fluide sous pression pour opérer et maintenir en pression les différents composants du stack BOP. L'unité de commande comprend : • un réservoir de stockage contenant le fluide hydraulique à pression atmosphérique, • au moins deux systèmes de pompage qui aspirent le fluide hydraulique dans le réservoir pour le porter à la pression de fonctionnement de l'unité (en général 3 000 psi), • un ensemble de bouteilles (accumulateurs oléopneumatiques) pour stocker ce fluide à la pression de fonctionnement de l'unité, • des régulateurs pour régler la pression du fluide hydraulique dirigé vers les différents composants du stack BOP, • des distributeurs 4 voies – 3 positions pour opérer les différentes fonctions. Remarque : Nous avons pris en compte les recommandations de l'API 16 E (première édition - Octobre 90) et de l'API 53 (deuxième édition - Mai 84). Pour les points de l'API 53 qui ne sont pas repris dans l'API 16 E, nous avons indiqué la © 2006 ENSPM Formation Industrie – IFP Training

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recommandation de l'API 53. Dans les autres cas, nous avons pris en compte l'API 16 E.

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4.2 Description d'une unité standard La figure 4.1 représente une unité standard avec ses différents composants. 1

Arrivée d'air (pression de l'ordre de 120 psi).

2

Huileur.

3

Vanne qui permet de by-passer la vanne d'admission automatique d'air n°4. En position ouverte, elle permet d'alimenter en continu les pompes à air. Elle doit être normalement en position fermée.

4

Vanne d'admission hydropneumatique automatique. Elle permet de régler la pression de démarrage et l'arrêt des pompes à air.

5

Vannes manuelles d'isolement des pompes pneumatiques. Normalement, elles doivent être en position ouverte.

6

Pompes à air.

7

Vannes manuelles d'isolement de l'aspiration des pompes à air. Normalement, elles doivent être en position ouvertes.

8

Filtre à huile équipé d'une crépine sur la ligne d'aspiration.

9

Clapet anti-retour.

10 Pompe triplex entraînée par moteur électrique. 11 Mano-contact : permet de régler les pressions de démarrage et d'arrêt de la pompe électrique. Il est réglé de telle façon que le moteur électrique démarre lorsque la pression dans l'unité chute sous un certain seuil (en général, 2700 psi) et s'arrête lorsque la pression atteint un certain seuil (3 000 psi). 12 Coffret de démarrage contenant un commutateur à 3 positions (OFF, ON, AUTO). Le interrupteur doit être normalement sur la position AUTO. 13 Vanne manuelle d'isolement de l'aspiration de la pompe électrique. Normalement, elle doit être en position ouverte. 14 Filtre à huile équipé d'une crépine sur la ligne d'aspiration. 15 Clapet anti-retour. 16 Vanne manuelle d'isolement des bouteilles. En fonctionnement normale, cette vanne doit être ouverte. 17 Accumulateur. La précharge en azote doit être de 1000 psi ± 10 %. 18 Soupape de sécurité, tarée entre 3300 et 3500 psi. Le retour est connecté au réservoir. 19 Filtre à huile sur le circuit haute pression. 20 Régulateur de pression : Il réduit la pression de 3000 psi à 1500 psi pour le circuit "manifold". Son réglage se fait manuellement. 21 Clapet anti-retour.

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Unité d'accumulation et de commande des BOP

FIG. 4.1 Schéma type d'une unité de commande de BOP de surface

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22 Distributeurs 4 voies - 3 positions. Ces distributeurs, équipés de vérins pneumatiques, peuvent être pilotés à distance. Elles permettent l'envoi du fluide hydraulique sous pression vers les BOP ou les opérateurs de vannes, pour ouvrir ou fermer ceux-ci. 23 Vanne de by-pass : permet de by-passer la régulation 3 000 - 1500 psi et d'envoyer directement dans le manifold le fluide hydraulique à la pression des accumulateurs (3 000 psi). Cette vanne doit être normalement en position fermée. Elle peut être commandée à distance. 24 Soupape de sécurité avec retour au réservoir de stockage du fluide hydraulique. Elle est réglée vers 5 500 psi. 25 Vanne de purge de la partie HP. Elle est normalement en position fermée. 26 Sélecteur à 2 positions : Il permet de sélectionner le point de commande du régulateur de pression du BOP annulaire n° 27. Lorsqu'il est sur Remote, 27 peut être réglé à partir du panel de commande à distance. Lorsque le sélecteur est sur Local, 27 ne peut pas être réglé à distance. 27 Régulateur de pression annulaire : Il permet de régler la pression du fluide hydraulique envoyer vers le BOP annulaire afin d'ajuster la pression de fermeture de celui-ci. Ce régulateur est piloté pneumatiquement et peut être ajuster à distance. 28 Manomètre de pression de la partie "accumulateur". 29 Manomètre de pression de la partie "manifold". 30 Manomètre de pression de la partie "annulaire". 31 - 32 - 33Transmetteurs pneumatiques de pression de l'accumulateur, du manifold et de l'annulaire vers le ou les panneaux de commande à distance. 34 Filtre à air. 35

Régulateur permettant de régler la pression d'air envoyée vers le régulateur 27.

36 – 37 - 38 Régulateurs à air pour les transmetteurs pneumatiques de l'annulaire, de l'accumulateur et du manifold. 39 Platine de connexion du faisceau de télécommande pneumatique. 40 Indicateur de niveau de fluide hydraulique dans le réservoir. 41 Bouchon de remplissage et de mise à l'air du réservoir. 42 Vannes 4 voies - 3 positions. 43 Clapet anti-retour. 44 Soupape de sécurité sur la ligne auxiliaire avec retour au réservoir de stockage du fluide hydraulique. 45 Ligne auxiliaire qui peut être utilisée pour le skidding. 46 Ligne auxiliaire qui peut être utilisée pour tester des équipements en pression. 47 Retour vers le réservoir lors de l'utilisation d'une ligne auxiliaire. 48 Bouchon d'inspection du réservoir de stockage de fluide hydraulique.

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4.3 Principe de fonctionnement de l'unité et recommandations API L'unité doit être placée dans un endroit protégé à distance du plancher de forage (hors du périmètre de sécurité) et facilement accessible au personnel du chantier en cas d'urgence.

4.3.1 Systèmes de pompage L'unité doit être équipée d'au moins deux systèmes de pompage ayant des sources d'alimentation (électrique, pneumatique,...) indépendantes. Un système de pompage se compose d'une ou de plusieurs pompes. Les pompes aspirent le fluide hydraulique dans le réservoir et doivent être capables de le refouler au moins à la pression (maximum) de fonctionnement de l'unité. Le fluide hydraulique est stocké sous pression dans les accumulateurs oléopneumatiques. Des vannes (items 7 et 13) permettent d'isoler le réservoir des pompes. Chaque ligne d'aspiration est équipée d'un filtre (items 8 et 14). Les pompes sont protégées par des clapets anti-retour (items 9 et 15). Chaque système de pompage est équipé d'un dispositif lui permettant de démarrer automatiquement lorsque la pression dans l'accumulateur est en dessous d'un certain seuil et de s'arrêter automatiquement lorsque cette pression atteint la pression de fonctionnement de l'unité. En situation normale, les systèmes de pompage doivent être alimentés en puissance et prêts à démarrer et à s'arrêter automatiquement. Les recommandations de l'API 16 E sont : • Démarrage des pompes lorsque la pression dans l'unité d'accumulation est tombée approximativement à 90 % de sa pression de fonctionnement (soit environ 2 700 psi pour une unité fonctionnant à 3 000 psi). • Arrêt lorsque la pression de l'unité est comprise entre sa pression de fonctionnement et cette pression moins 100 psi (soit entre 2 900 psi et 3 000 psi). 4.3.1.1 Système de pompage pneumatique La figure 4.1 montre un système composé de trois pompes à air (item 6). La vanne d'admission automatique de l'air (item 4) permet de régler le seuil de démarrage et d'arrêt des pompes. Lorsque la pression dans l'unité descend sous le seuil de démarrage (en général un peu en dessous de 2 700 psi), cette vanne s'ouvre et permet la mise en route des pompes. Elle ferme l'arrivée d'air lorsque la pression dans l'unité atteint le seuil d'arrêt. Ce seuil est en général de 2 900 psi lorsque le système pneumatique est utilisé avec un système électrique et de 3 000 psi (pression de fonctionnement de l'unité) si l'on utilise uniquement des systèmes pneumatiques.

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La vanne 3 permet de by-passer cette vanne d'admission automatique de l'air. Les vannes 5 permettent d'isoler les pompes du circuit d'air. En fonctionnement normal, la vanne 3 doit être fermée, les vannes 5 ouvertes et la vanne automatique 4 doit permettre le démarrage et l'arrêt automatiquement aux seuils voulus. Les pompes à air ont en général un rapport de fonctionnement de 50 à 60 pour 1. C'est-àdire qu'avec une pression d'alimentation de 100 psi, elles fournissent une pression de refoulement de 5 000 à 6 000 psi. Ces pompes doivent être capables de fonctionner avec une pression d'air de 75 psi. 4.3.1.2 Système de pompage électrique Les pompes électriques sont des pompes triplex. Le manocontact (item 11) enregistre le pression dans l'unité et actionne le contacteur électrique (item 12). Ce contacteur a trois positions : • Position OFF : le moteur électrique n'est pas sous tension quelque soit la pression dans l'unité d'accumulation, • Position ON : le moteur électrique est en permanence sous tension quelque soit la pression dans l'unité d'accumulation, • Position AUTO : le moteur démarre lorsque la pression dans l'unité d'accumulation mesurée par le manocontact est en dessous du seuil fixé pour le démarrage (90 % de sa pression de fonctionnement, soit 2 700 psi pour une unité standard), le moteur s'arrête lorsque la pression atteint le seuil fixé pour l'arrêt (3 000 psi).

4.3.2 Les bouteilles Elles permettent de stocker l'huile hydraulique sous pression. Il existe des systèmes avec chambre à air (voir figure 4.2) et avec flotteur. Elles restituent du fluide hydraulique lorsque l'on abaisse la pression dans l'accumulateur. Les bouteilles habituellement utilisées ont une capacité intérieure de 11 gallons. Pour les calculs, on considère que le volume disponible pour les fluides (huile et azote) est de 10 gallons (1 gallon occupé par la membrane caoutchouc). La pression de précharge dépend des conditions spécifiques de fonctionnement des équipements. La valeur habituellement recommandée est de 1 000 psi, elle est considérée correcte si elle se trouve dans une fourchette de 100 psi ( ± 10 %) autour de cette valeur. La pression de précharge doit être vérifiée à la mise en service de l'unité et au début de chaque puits, l'intervalle de contrôle ne doit pas dépasser 2 mois. L'azote est le seul gaz recommandé pour précharger les bouteilles.

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FIG. 4.2 Accumulateur oléopneumatique à membrane Les bouteilles doivent être reparties sur des rampes de telle façon que la perte d'une rampe ne doit pas entraîner une perte de plus de 25 % de la capacité de l'unité. Chaque rampe doit être équipée d'une vanne d'isolation. Les bouteilles sont protégées par une soupape de sécurité (item 18). Elle est tarée habituellement entre 3 300 et 3 500 psi. Un manomètre (item 28) indique la pression du fluide hydraulique stocké dans les bouteilles. Un transmetteur de pression (item 31) permet de transmettre cette valeur vers le ou les panneaux de commande à distance.

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Une soupape de sécurité (item 24) protége le circuit si la vanne 16 est fermée. La vanne 25 permet de purger l'unité.

4.3.3 Distribution du fluide hydraulique La distribution du fluide hydraulique vers le BOP annulaire et vers les obturateurs à mâchoires et les opérateurs des vannes de kill et de choke line sur la figure sont séparées. Cela permet de régler indépendamment la valeur de la pression pour opérer le BOP annulaire et pour opérer les autres composants du stack. 4.3.3.1 Distribution vers les obturateurs à mâchoires et opérateurs de vannes Le fluide hydraulique arrive dans le régulateur (item 20) à une pression de 3 000 psi d'où il en ressort à une pression de 1 500 psi. La pression du fluide hydraulique à la sortie du régulateur peut être ajustée manuellement. Il sera nécessaire modifier le réglage lorsque l'on fait du stripping avec les obturateurs à mâchoires. Le manifold comprend un ensemble de vannes (distributeurs) 4 voies – 3 positions permettant d'opérer les obturateurs à mâchoires et les opérateurs de vannes. Chaque vanne est reliée à un composant du stack et possède 4 voies : • Une voie est reliée au manifold, ce qui permet d'alimenter cette vanne en fluide hydraulique sous 1 500 psi, • Une voie est connectée au réservoir pour permettre le retour du fluide hydraulique dans le réservoir, • Une voie est connectée à la ligne de fermeture d'un obturateur à mâchoires ou d'un opérateur de vanne de choke ou de kill line, • Une voie est connectée à la ligne d'ouverture du même obturateur à mâchoires ou du même opérateur de vanne de choke ou de kill line. Chaque vanne possède 3 positions et les connections doivent être telles que : • Poignée coté droit (en faisant face à l'unité), l'obturateur ou l'opérateur de vanne de kill ou de choke line sont en position fermée, • Poignée coté gauche, l'obturateur ou l'opérateur de vanne de kill ou de choke line sont en position ouverte, • Poignée en position centrale (position neutre), l'arrivée du fluide venant de l'unité sous pression est bloquée, la pression dans les lignes de fermeture et d'ouverture est soit purgée soit bloquée suivant le type de vanne 4 voies utilisé. Si la vanne est de type "manipulator"(voir figure 4.3), la pression est purgée. Si elle est de type "selector" (voir figure 4.4), la pression est bloquée. Le type "selector" est utilisé sur les tourets de stockage des flexibles de commande des BOP sous-marins.

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FIG. 4.3 Schéma d'un distributeur 4 voies – 3 positions type "manipulator"

FIG. 4.4 Schéma d'un distributeur 4 voies – 3 positions type "selector" En opération normale, avec les BOP de surface, ces vannes ne doivent pas être en position neutre (risque d'activer involontairement une fonction en cas de fuite), celles reliées aux obturateurs doivent être en position ouverte, celles reliées aux opérateurs des vannes de kill et de choke line doivent être en position fermée. Donc, l'une des lignes reliant une vanne 4 voies et l'élément du bloc d'obturation commandé par cette vanne est toujours sous pression. En principe, il n'est pas possible de mettre une vanne 4 voies en position neutre à partir du panneau de commande à distance. Une protection doit être installée sur la commande des obturateurs à fermeture totale et / ou cisaillante ( blind, blind - shear rams) pour éviter des erreurs de manipulation. Les vannes 4 voies sont équipées de vérins pneumatiques, ce qui permet de les opérer à distance. Lorsque le panneau de commande à distance est équipé de lampes témoins, le rôle de ces lampes étant d'indiquer la position des vannes 4 voies, le contact électrique doit se faire au niveau de l'unité (sur les vannes 4 voies ou lignes). Une vanne de by pass (item 23) permet de by-passer la régulation 3 000 - 1500 psi et d'envoyer directement dans le manifold le fluide hydraulique à la pression des accumulateurs (3 000 psi). Cette vanne doit être normalement en position fermée. Elle doit être équipée d'un système pour la commander à distance. Le by pass sera utilisé lorsqu'il est nécessaire d'appliquer une pression supérieure à 1 500 psi pour opérer un élément du stack (cas des blind shear rams). Le manifold et les vannes 4 voies sont prévus pour fonctionner à 3 000 psi. Les flexibles reliant l’unité de commande et les BOP doivent avoir une pression de service de 3 000psi. Un clapet anti-retour (item 21) protége le régulateur (item 20) lorsque le by pass est ouvert.

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Le manomètre (item 29) indique la pression régnant dans le manifold, cette pression est normalement 1 500 psi. Le transmetteur de pression (item 32) permet de transmettre cette valeur vers le ou les panneaux de commande à distance. 4.3.3.2 Distribution vers le ou les obturateurs annulaires Le régulateur de pression annulaire (item 27) permet de régler la pression du fluide hydraulique envoyé vers le BOP annulaire afin d'ajuster la pression de fermeture de celui-ci en fonction de la pression régnant dans le puits. Le fluide hydraulique arrive dans le régulateur à une pression de 3 000 psi. Le régulateur permet de régler la pression à la sortie entre 0 et 1 500 psi (Cameron recommande un régulateur 0 – 3 000 psi), cette pression est en général ajustée entre 700 et 1 500 psi suivant les équipements utilisés. Il sera nécessaire d'ajuster cette pression lorsque l'on fait du stripping. Le régulateur 27 est piloté pneumatiquement pour pouvoir l'ajuster à distance. Il est recommandé d'avoir un régulateur de type "fail safe". Avec ce type de régulateur, le réglage de la pression sera conservé en cas de perte de la pression de régulation. La figure montre un sélecteur deux positions (item 26) qui permet de sélectionner l'endroit de commande du régulateur 27. Lorsque ce sélecteur est sur "Remote", le régulateur peut être réglé à partir du panneau de commande à distance. Lorsque le sélecteur est sur "Local", le régulateur ne peut pas être réglé à distance. Le régulateur à air 35 permet de régler à partir de l'unité la valeur de la pression envoyée vers le régulateur 27. Une vanne 4 voies – 3 positions permet d'opérer le BOP annulaire. Le manomètre (item 30) indique la pression du fluide hydraulique opérant le BOP annulaire. Le transmetteur de pression (item 33) permet de transmettre cette valeur vers le ou les panneaux de commande à distance. La position des différentes vannes d'une unité en cours de forage est indiquée sur la figure 4.5.

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FIG. 4.5 Position des différentes vannes d'une unité en cours de forage

4.3.4 Réservoir et fluide hydraulique Le fluide utilisé doit permettre le fonctionnement de l'unité dans toutes les circonstances. Il peut être nécessaire d'ajouter des produits comme le glycol pour éviter le gel du fluide.

4.3.5 Panneau de commande à distance Le chantier doit être équipé d'au moins un panneau de commande à distance pour que l'on puisse commander tous les BOP et les vannes de kill et de choke line de deux endroits différents. Ce panneau doit être accessible au chef de poste pendant les opérations de forage et représenter fidèlement l'empilage BOP. Le panneau de commande à distance doit : • permettre d'opérer tous les BOP et les vannes de kill et de choke line, • permettre de régler la pression du BOP annulaire, • permettre d'opérer la vanne de by pass (item 23), • indiquer la pression de l'accumulateur, du manifold, de l'annulaire et la pression d'air.

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Pour les rigs offshore, le panneau de commande doit avoir en plus des alarmes visuelles et sonores indiquant : • une pression trop faible dans l'accumulateur, • une pression d'air trop faible, • un niveau de fluide hydraulique trop faible dans le réservoir. La liaison entre le panneau de commande à distance et l'unité d'accumulation peut être réalisée de différentes façons (liaison pneumatique, hydraulique, électro – pneumatique, électro – hydraulique). Le temps de réponse dépend du moyen de transmission utilisé, les liaisons électriques permettent d'avoir les temps de réponse les plus courts. Il n'est pas conseillé d'utiliser un système pneumatique si la distance entre l'unité et le panneau de commande est supérieure à 150 pieds (soit environ 45 m). La figure 4.7 représente un arrangement typique (BOP – unité de commande – panneaux de commande à distance) sur un rig à terre. La figure 4.6 représente le détail d'un panneau de commande à distance (driller's panel). Toute commande d'une opération à partir du panneau de commande doit nécessiter une double action manuelle. Il est nécessaire de maintenir la vanne maîtresse (master valve) en position ouverte et la vanne de commande de la fonction pour réaliser la fonction. Avec une transmission pneumatique, il est nécessaire de maintenir les commandes pendant quelques secondes (attendre que la lampe témoin de la fonction opérée s'allume) pour que le signal pneumatique soit transmis à la vanne 4 voies correspondante.

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Pour les commandes faisant appel à une transmission électrique, en cas de défaillance de la puissance électrique, on doit disposer d'un système de secours (batteries) donnant une autonomie de 2 heures.

FIG. 4.6 Panneau de commande à distance

La figure 4.8 représente le circuit de transmission (pneumatique puis hydraulique) de l'ordre de fermeture d'un BOP à mâchoires (pour les autres composants, le schéma reste le même). En actionnant la vanne maîtresse (master valve), la vanne de commande du BOP à mâchoires est alimentée en air. En actionnant cette dernière, le piston de commande de la vanne 4 voies – 3 positions est alimenté en air et actionne la vanne 4 voies qui permet d'envoyer le fluide sous pression vers la chambre de fermeture du BOP et le retour du fluide de la chambre d'ouverture vers le réservoir. Lorsque la vanne 4 voies est opérée, la pression dans l'accumulateur chute, si elle chute en dessous de 2 700 psi, les pompes se mettent en marche. La pression dans le manifold chute puis reprend sa valeur d'origine (1 500 psi). Sur le panneau de commande à distance, la lampe indiquant l'ouverture du BOP s'éteint et celle indiquant la fermeture s'allume.

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FIG. 4.7 Arrangement typique sur un rig à terre

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FIG. 4.8 Schéma de fonctionnement d'une unité avec commande pneumatique.

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4.3.6 Conduites Les lignes reliant l'unité et le bloc d'obturation doivent avoir une pression de service égale à la pression de fonctionnement de l'unité (3 000 psi). Les flexibles, les conduites rigides et les connections constituant ces lignes doivent résister au feu.

4.4 Dimensionnement d'une unité 4.4.1 Calcul du nombre de bouteilles 4.4.1.1 Conditions API à respecter Avec les systèmes de pompage hors service, l'unité d'accumulation doit pouvoir fournir un volume (volume utile Vu) de fluide hydraulique suffisant pour satisfaire la plus contraignante des deux conditions suivantes : Fermer tous les BOP du stack sans pression dans le puits et disposer d'une réserve de 50 % de fluide hydraulique, La pression restant dans l'unité d'accumulation après avoir fermer tous les BOP du stack doit être supérieure à la pression minimum calculée (à partir du rapport de fermeture du BOP) nécessaire pour fermer tout BOP à mâchoires (à l'exception des shear rams) avec une pression dans le puits égale à la pression de service du stack. Le volume utile Vu est le volume de fluide hydraulique fourni par les bouteilles lorsque l'on abaisse la pression dans les bouteilles. C’est le volume récupéré d’une bouteille lorsque la pression varie de la pression de fonctionnement de l’unité (3 000 psi) et à une pression de 1200 psi (200 psi au dessus de la pression de précharge de la bouteille). Ce volume sera différent suivant la valeur de la pression de précharge en azote, de la pression de fonctionnement de l'unité et de la pression finale du fluide dans l'unité. Il est donné par la relation suivante :  1 Vu = P1 . V1  P  3

Vu = P1 = V1 = P2 = P3 =

-

1   P2  

Volume utile en gallons, Pression de précharge d'une bouteille en psi, Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de précharge P1, Pression de fonctionnement de l'unité en psi, Pression finale dans la bouteille en psi.

Remarque : Ces calculs doivent servir uniquement pour dimensionner l'unité, pas pour tester les performances de l'appareil. Ces calculs sont approximatifs car les formules utilisées sont simplifiées.

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4.4.1.2 Exemple de calcul Le stack est composé d'un BOP annulaire et de quatre BOP à mâchoires. Sa pression de service est 10 000 psi et le rapport de fermeture des BOP à mâchoires est 7 / 1. Le volume de fluide hydraulique nécessaire pour fermer l'annulaire est 16,5 gallons, celui pour fermer chaque BOP à mâchoires est de 5,5 gallons. La précharge des bouteilles en azote est de 1 000 psi. Nombre de bouteilles nécessaires pour satisfaire la première condition Par sécurité, la pression finale dans l'accumulateur ne devra pas être inférieure à 1 200 psi (200 psi au dessus de la pression de précharge). En considérant l'azote comme un gaz parfait, nous avons pour une bouteille : P1 . V1 = P2 . V2 = P3 . V3

P1 = Pression de précharge d'une bouteille en azote en psi, V1 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de précharge P1, P2 = Pression de fonctionnement de l'unité en psi, V2 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de fonctionnement P2, P3 = Pression finale dans la bouteille en psi, V3 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression finale P3. Nous avons dans ces conditions : P1 = 1 000 psi, V1 = 10 gal, P2 = 3 000 psi, P3 = 1 200 psi. Nous en déduisons que V2 = 3,33 gal et V3 = 8,33 gal. Le volume de fluide hydraulique fourni par une bouteille de 10 gallons préchargée à 1 000 psi lorsque la pression de l'unité varie de 3 000 psi à 1 200 psi est (V3 – V2) = 5 gal. Le volume de fluide hydraulique pour fermer tous les BOP est 16,5 + 4 x 5,5 = 38,5 gal. 50 % de réserve de fluide hydraulique corresponds à 38,5 x 0,5 = 19,25 gal. Le volume total de fluide hydraulique nécessaire est 38,5 + 19,25 = 57,75 gal. Il faut 57,75 / 5 = 11,55 bouteilles, donc en définitive 12 bouteilles. Nombre de bouteilles nécessaire pour satisfaire la deuxième condition Dans ce cas, la pression finale dans les bouteilles est déterminée par le rapport de fermeture et la pression de service des BOP à mâchoires. Nous avons :

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P3 = 1 428 psi et V3 = 7 gal. Le volume utile fourni par une bouteille dans ces conditions (précharge 1 000 psi, pression de fonctionnement 3 000 psi, pression finale 1 428 psi) est de (7 – 3,33) = 3,67 gal. Le volume de fluide hydraulique pour fermer tout le stack est 38,5 gal. Le nombre de bouteilles nécessaire est de 38,5 / 3,67 = 10,5 bouteilles, donc en définitive 11 bouteilles. La condition la plus contraignante est la première, il faut dans ce cas 12 bouteilles.

4.4.2 Capacité des pompes Chaque système de pompage doit avoir une capacité suffisante pour satisfaire les conditions suivantes : • Les bouteilles étant isolées, chaque système de pompage doit être capable de fermer en deux minutes maximum chaque obturateur annulaire (à l'exception du diverter) sur le diamètre minimum des tiges utilisées dans le puits, d'ouvrir la vanne commandée à distance de la choke line et de fournir la pression recommandée par le constructeur pour maintenir l'étanchéité de l'espace annulaire (cela revient à pouvoir mettre le puits en sécurité avec un seul système de pompage en état). • Les différents systèmes de pompage réunis doivent être capables, en quinze minutes maximum, de remonter la pression de l'unité de la pression de précharge des bouteilles (1 000 psi) à la pression maximum de fonctionnement de l'unité (3 000 psi). Exemple de calcul en tenant compte de la deuxième condition Déterminer la capacité des pompes pour remonter la pression de l'unité de 1 000 psi (pression de précharge) à 3 000 psi (pression maximum de fonctionnement de l'unité), l'unité étant équipée de 16 bouteilles de 11 gallons chacune. En considérant l'azote comme un gaz parfait, nous avons : P1 . V1 = P2 . V2

P1 = Pression de précharge d'une bouteille en azote en psi, V1 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de précharge P1, P2 = Pression de fonctionnement de l'unité en psi, V2 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de fonctionnement P2, Nous avons : P1 = 1 000 psi, V1 = 10 gal, P2 = 3 000 psi et V2 = 3,33 gal.

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Le volume de fluide hydraulique à pomper en 15 minutes est de : (10 – 3,33) x 16 = 106,56 gal. Soit un débit minimum pour l'ensemble des systèmes de pompage de 7,1 gal / min.

4.4.3 Dimensionnement du réservoir de stockage du fluide hydraulique Le réservoir doit avoir une capacité au moins égale à deux fois le volume utile des bouteilles (voir calcul du nombre de bouteilles), le volume utile étant déterminé avec une pression de précharge de 1 000 psi, une pression de fonctionnement de 3 000 psi et une pression finale de 1 200 psi (soit 5 gal pour une bouteille de 11 gallons). Donc pour une unité équipée de 24 bouteilles de 11 gallons (volume de fluide égal à 10 gal), le réservoir doit avoir une capacité de (2 x 5) x 24 = 240 gal.

4.4.4 Temps de fermeture des BOP D'après l'API 16 E, le système de commande doit permettre de fermer et d'obtenir l'étanchéité : • En 30 secondes maximum pour tout obturateur à mâchoires et tout obturateur annulaire de diamètre nominal inférieur à 18 3/4, • En 45 secondes maximum pour tout obturateur annulaire de diamètre supérieur ou égal à 18 3/4. D'après l'API 53, le système de commande doit permettre de fermer et d'obtenir l'étanchéité : • En 30 secondes maximum pour tout obturateur à mâchoires et tout obturateur annulaire de diamètre nominal inférieur à 20 ", en 45 secondes maximum pour tout obturateur annulaire de diamètre supérieur ou égal à 20 ". • Le temps nécessaire pour ouvrir ou fermer les vannes latérales (choke et kill line) ne doit pas dépasser le temps minimum observé pour fermer un obturateur à mâchoire. Les valeurs de temps données précédemment sont mesurées entre l'instant où la fonction est activée (bouton ou levier de commande manœuvré) et l'instant où l'étanchéité est obtenue.

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4.5 Vérification de la précharge des bouteilles La pression de précharge doit être vérifiée à la mise en service de l'unité et au début de chaque puits, l'intervalle de contrôle ne doit pas dépasser 2 mois. Une façon rapide de vérifier globalement cette précharge est de purger l'unité de 3 000 psi à 2 000 psi, les pompes étant en position OFF, et de mesurer le volume de fluide hydraulique récupéré dans le réservoir. Exemple de vérification L'unité est équipée de 24 bouteilles de 11 gallons (on considérera 10 gallons de volume disponible pour les fluides). On abaisse la pression de l'unité de 3 000 psi à 2 000 psi (purge avec la vanne 25), le volume de fluide récupéré dans le réservoir est de 36 gallons. En considérant l'azote comme un gaz parfait, nous avons pour une bouteille : P1 . V1 = P2 . V2 = P3 . V3

P1 = Pression de précharge d'une bouteille en azote en psi, V1 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de précharge P1, P2 = Pression de fonctionnement de l'unité en psi, V2 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression de fonctionnement P2, P3 = Pression finale dans la bouteille en psi, V3 = Volume occupé par l'azote en gallons à la pression finale P3. Nous avons dans ces conditions : V1 = 10 gal, P2 = 3 000 psi, P3 = 2 000 psi. Le volume de fluide hydraulique fourni par une bouteille lorsque la pression de l'accumulateur baisse de 3 000 psi à 2 000 psi correspond à (V3 – V2). Nous avons : 3 000 . V2 = 2 000 . V3 24 . (V3 – V2) = 36 On en déduit que V2 = 3.0 gal, V3 = 4.5 gal et P1 = 900 psi. Dans ce cas, la précharge globale de l'unité en azote est de 900 psi. Il faudra vérifier chaque bouteille pour savoir où se situe le manque d'azote.

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CHAPITRE 5

LES DUSES LE CHOKE MANIFOLD

Pour contrôler une venue, il faut circuler tout en maintenant une pression, en face de la couche qui a débité, légèrement supérieur à la pression de pore de cette couche. La pression hydrostatique produite par la colonne dans l’espace annulaire n’est pas suffisante. La duse permettra de créer en tête de l’espace annulaire la pression manquante nécessaire pour maintenir une pression de fond correcte. On utilisera le circuit duse jusqu'au rétablissement du contrôle primaire. La perte de charge produite dans une duse dépend des caractéristiques du fluide (densité, viscosité, ..), du débit et de l’ouverture de la duse (l’ouverture de la duse produit une diminution de la perte de charge). Sous les obturateurs, une liaison (choke line) entre l'espace annulaire et le manifold de duse (choke manifold) permet de diriger l'effluent selon sa nature vers : • les bassins, • le séparateur atmosphérique (poor boy degasser, mud – gas separator), • la "torche", • le bourbier. Il existe plusieurs types de duses : • les duses fixes (positive) employées sur les puits en production, • les duses réglables (adjustable choke) soit manuellement (manual choke) soit commandées à distance (remote operated choke) utilisées en forage car la valeur de la pression nécessaire en tête de l’espace annulaire varie au cours du contrôle • Remarque : Une duse n’est pas une vanne, elle permet de produire des pertes de charge, elle n’est pas nécessairement étanche en position fermée et elle est prévue pour fonctionner dans toutes les positions, de complètement ouverte à complètement fermée.

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Les duses – Le Choke manifold

5.1 Duse réglable manuelle (figure 5.1) Elle est composée d'un corps massif avec : • Une entrée latérale à brides, • Une sortie dans l'axe du pointeau, également à brides, • Un siège, • Un pointeau actionné par un volant, En service, le pointeau, le siège et le corps de la duse peuvent se siffler ou se boucher (la boue venant de l'espace annulaire peut être chargée en solides venant de la formation et en cuttings, il peut également se former des hydrates). Sur un manifold il est indispensable d'avoir au moins deux duses avec des circuits indépendants.

FIG. 5.1 Duse manuelle à pointeau

5.2 Duse commandée à distance Le système se compose d’une duse et d’une armoire de commande à distance reliées par des flexibles hydrauliques. L'armoire de commande comporte en général : • un réservoir de fluide hydraulique,

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Les duses – Le Choke manifold

• • • •

une pompe (alimentée par un moteur à air) fournissant l'énergie hydraulique à la duse, une pompe manuelle qui permet d’opérer la duse en cas de panne d’air, une ou deux manettes de commande de la (ou des) duses, deux manomètres donnant les pressions en tête de tiges " drill pipe pressure" et en tête de l’espace annulaire "casing pressure", (éventuellement un troisième manomètre donnant la pression en tête de la kill line pour le contrôle avec des BOP sous-marins) • un indicateur de vitesse de pompe, • un totalisateur de coups de pompe avec remise à 0, • un indicateur d’ouverture de la duse.

5.2.1 Duse SWACO - 10000 psi Comme pour toutes les duses, l'entrée de la duse SWACO (Dresser super adjustable choke) est située latéralement. À l'intérieur, deux disques en carbure de tungstène comportant chacun une ouverture semicirculaire. Le disque de fond (1) est fixe. L'autre (2) mobile est actionné par la tige (3). La rotation du disque mobile, limitée à 180° est effectuée par l'intermédiaire d'un piston hydraulique monté sur crémaillère. La section de passage maximum de cette duse est de 2.4 pouces carré.

FIG. 5.2 Duse SWACO (Dresser)

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Les duses – Le Choke manifold

Le contrôle de la duse s'effectue à partir d'une armoire de commande séparée. Sur cet ensemble, on trouve : • une pompe hydraulique principale, • une pompe à main de secours, • un réservoir d'huile. • le levier "air supply" situé sur le côté gauche contrôle l'arrivée d'air du rig vers le moteur à air de la pompe hydraulique (pression d’air minimum : 50 psi, la pression hydraulique maxi étant de 1200 psi). Il faut s'assurer de la présence d'air pour le fonctionnement de la commande à distance. • au centre le levier principal de commande marqué "open", "hold", "close", contrôle le mouvement du disque mobile. • En déplaçant ce levier sur la position "close", la pression hydraulique est appliquée sur les pistons qui font tourner le disque mobile vers la position fermée. En déplaçant ce levier sur la position "open", l'opération est inversée. • Quand ce levier de contrôle est relâché, il revient sur la position "hold", et le disque mobile reste dans sa position. • En bas à droite, le régulateur hydraulique (hydraulic regulator) qui permet de régler la vitesse de déplacement du disque mobile. Cette vanne doit être au moins partiellement ouverte pour que la duse fonctionne. • Au-dessus de ce régulateur, l’indicateur de position de la duse "position indicator" indique l’ouverture approximative de la duse en pourcentage (cet indicateur fonctionne à l’air), • Deux manomètres de pression (drill pipe et casing), un compte coups de pompe et un totalisateur de coups de pompe avec remise à 0. Note :

Opération de secours 1er cas : panne d'air ou du moteur à air • Utiliser la pompe à main située sous le tableau de commande avec la rallonge prévue à cet effet. • Pour modifier l'ouverture de la duse, placer le levier de commande dans la position désirée tout en pompant et contrôler la position sur la bague graduée. 2eme cas : rupture de conduites et /ou de connexions hydrauliques entre l’armoire de commande et la duse • Si la rupture se produit sur la conduite d'ouverture, déconnecter celle de fermeture et vice-versa. • Placer une tige de 5/8" dans un des trous de l'axe d'entraînement du disque mobile derrière la duse et opérer manuellement la duse.

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FIG. 5.3 Panneau de commande d’une duse Swaco

FIG. 5.4 Détail d’un panneau de commande d’une duse Swaco

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5.2.2 Duse "Cameron" 10000 psi (figure 5.5) Elle se compose : • d'un corps avec une entrée latérale à bride 3 1/16 " - 10000 et une sortie taraudée ou à bride 4" . 5000, • d'un siège (seat) en carbure de tungstène avec un joint d'étanchéité (O-ring), • l'obturateur (sleeve) également en carbure de tungstène est actionné par une tige de piston et un piston se déplaçant dans un cylindre (bonnet), • de chaque côté du cylindre, un alésage taraudé permet l'entrée du fluide de manœuvre. • Le siège et l'obturateur sont réversibles. • à l'extrémité du cylindre de manœuvre se trouve le système d'indication de position de la duse, - quatre flexibles relient la duse au tableau de contrôle : - deux flexibles HP pour la manœuvre du piston. Une pompe hydraulique alimentée en air comprimé fournit l'énergie permettant l'ouverture ou la fermeture de la duse. Le panneau de commande à distance comprend : • deux manomètres de pression "drill pipe pressure" et "casing pressure" reliés à deux "transmitters" montés sur la colonne de refoulement des pompes à boue et à l'entrée du manifold duses. Ces "transmitters" transmettent la pression au panneau de commande, • un indicateur de position (relié à la duse) montre l’ouverture relative de la duse en 1/8e, • un manomètre sur lequel on peut afficher la valeur de la pression maximale en tête d'annulaire à ne pas dépasser (maximum allowable choke manifold pressure). Si, au cours du contrôle d'une venue, la pression "casing" atteint cette valeur, un dispositif de sécurité ouvrira la duse jusqu'à ce que la pression réelle tombe au-dessous de la valeur affichée. La duse reprendra ensuite sa position initiale, • Ce dispositif peut être très dangereux s’il n’est pas correctement utilisé (risque de purger le puits sans que cela soit nécessaire et d’avoir une venue supplémentaire). Si on utilise ce dispositif en affichant comme valeur limite la Padm avec la boue de densité initiale d1, il ne faut pas oublier de le désactiver lorsque la venue pénètre dans le casing. En définitive, il est préférable de ne pas utiliser ce dispositif . • un contacteur off/on permet la mise en service, ou hors service, du dispositif de sécurité précédent, • un compte de coups de pompe, • un totalisateur de coups de pompe, • deux manettes de commande de la duse (le panel est prévu pour deux duses) avec trois positions : - CLOSE : pour fermer (pour réduire l’ouverture) la duse

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- OPEN : pour ouvrir (pour augmenter l’ouverture) la duse - HOLD : pour maintenir la duse dans une position donnée (la manette revient dans cette position dès qu’elle est relâchée).

FIG. 5.5 Duse Cameron commandée à distance

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FIG. 5.6 Panneau de commande à distance de la duse Cameron Nota : •

niveau d'huile à vérifier dans le réservoir. Utiliser l'huile préconisée par le constructeur,

• réglage du détenteur d'air à l'entrée pour le bon fonctionnement de la pompe hydraulique, • purger fréquemment les filtres à air et vérifier le plein d'huile des godets servant à lubrifier l'air. Dans l'armoire "CAMERON" il existe en plus des filtres normaux un filtre contenant un dessicant (silicagel) qu'il faut remplacer ou sécher dans un four dès qu'il devient rose, • enfin, faire fonctionner fréquemment la ou les duses.

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5.3 Kill line et circuit manifold 5.3.1 Kill line La pression de travail de cette ligne doit être au moins égale à celle des BOP. Son diamètre intérieur minimum est de 2". Elle est connectée au stack BOP au moyen de deux vannes en série (minimum) et d'un clapet anti-retour juste derrière les deux vannes.

FIG. 5.6 Schéma montrant les liaisons BOP – circuit manifold (montage BOP surface)

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5.3.2 Circuit manifold Tout l'équipement en amont des duses doit avoir une pression de travail égale ou supérieure à celle du stack BOP. La pression de service des équipements en aval des duses peut être d’une série juste inférieure à celle des équipements amont duses. 5.3.2.1 Choke line La connexion au stack BOP s'effectue au moyen de deux vannes en série. Pour les stacks de surface, il est recommandé qu'une de ces vannes soit commandé à distance. Pendant les opérations normales de forage, la vanne manuelle à la sortie du BOP est ouverte, la vanne à commande à distance (HCR) placée après est fermée. On utilisera la vanne à commande à distance lors de la fermeture du puits et en cours de contrôle de venue, la vanne manuelle est en back up en cas de problème sur la HCR. La vanne commandée à distance est opérée à partir de l’unité d’accumulation et de commande des BOP (unité Koomey).

FIG. 5.7 Exemple de vanne commandée à distance utilisée sur un montage BOP surface Le diamètre intérieur de la choke line doit être aussi grand que possible (≥ 3") et le circuit doit comporter un minimum de courbes, avec le plus grand rayon de courbure possible.

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5.3.2.2 Choke manifold Il doit être facilement accessible. Il doit être muni d'au moins deux duses réglables, trois souhaités, si la pression de travail est supérieure à 5000 psi, dont une commandée à distance. En aval des duses, le manifold doit permettre l'évacuation vers le séparateur atmosphérique, la "torche", le bourbier et les bacs. La pression de travail de ces lignes et vannes, en aval des duses, sera en général inférieure d'une série à celle des duses et de la partie amont. La conception du manifold doit permettre, durant un contrôle, d'isoler un circuit défaillant et de continuer le contrôle sur un autre. Le manifold doit être équipé d’une ligne d’évacuation d’urgence (emergency line ou bleed off line). Cette ligne est également appelée ligne de by pass ou de purge. Elle permettra de diriger un effluent vers le bourbier sans passer par les duses. Elle doit être aussi directe que possible et son diamètre intérieur doit être au moins égale au diamètre intérieur de la choke line. La pression de service de cette ligne doit être au moins égale à celle des BOP. De façon à éviter la formation d'hydrate lors de la détente de l’effluent, un (des) piquage(s) permettra(ont) sur certains manifolds d'injecter du glycol ou du méthanol avant les duses. Il faut s’assurer que la pression de service les pompes d’injection et les connexions soit au moins égale à celle des BOP. Le glycol est préventif alors que le méthanol est préventif et curatif. BOP sous-marins : Les lignes de kill et de choke sont des lignes identiques (même diamètre, pas de clapet anti-retour sur la kill line à l’entrée du stack, lorsqu’un clapet est utilisé, il est placé entre les pompes et le manifold). Elles peuvent être utilisées indifféremment comme ligne d’injection (kill line) ou comme ligne d’évacuation (choke line). Elles sont au nombre de 2 et chaque ligne se partage, en général, en deux au niveau du stack BOP.

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FIG 5.8 Exemple de choke manifold de BOP sous-marins 2 vannes commandées à distance fail safe en position fermeture sont placées en sortie de BOP et connectée sur chaque ligne (soit en général 8 vannes au total). En cas de perte de pression sur ces vannes, elles se ferment automatiquement sous l’action d’un ressort et / ou de la pression de l’eau de mer.

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FIG. 5.9 Exemple de vannes de kill et de choke line utilisées sur les BOP sous-marins Puisque la pression en tête de kill line peut-être utilisée comme pression témoin pendant les phases de démarrage, arrêt de circulation et de changement de débit, il est intéressant d’avoir un manomètre donnant la valeur de cette pression visible par l’opérateur à la duse. La booster line : c’est une ligne de pompage montée en parallèle avec les kill et choke lines elle est connectée sur le tube riser. Elle est utilisée pour augmenter la vitesse de la boue dans le riser. Elle peut permettre de remplir le riser en fin d’une opération de contrôle de venue.

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5.3.3 Séparateur atmosphérique Il est connecté à la sortie du manifold de duses et est utilisé pour séparer et évacuer le gaz pendant la circulation d’une venue. La pression régnant à l'intérieur du séparateur est égale aux pertes de charge produites dans la ligne d'évacuation du gaz (vent line). Elle dépend du débit de gaz, des caractéristiques du gaz, de la longueur et du diamètre de la vent line.

FIG. 5.10 Schéma d’un séparateur atmosphérique

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La pression maximum acceptable dans le séparateur est égale à la pression hydrostatique exercée par le "mud seal" (col de cygne ou garde de boue). La hauteur de ce mud seal est en général comprise entre 2 m et 7 m. La valeur théorique de la pression maximale admissible dans le séparateur est égale à : (hauteur du col de cygne . densité de la boue dans le séparateur ) / 10.2 La valeur réellement admissible sera inférieure à cette valeur car la boue dans le séparateur n’est jamais totalement dégazée. Si cette pression maximum acceptable est dépassée dans le séparateur, il y a risque d'envahissement des bassins par l'effluent gazeux. La ligne de retour de boue vers les bassins est généralement équipée d'un système pour éviter l'effet de siphon. Le diamètre du séparateur minimum conseillé est 48". Le débit de circulation de la venue sera choisi de façon que la pression admissible dans le séparateur ne soit pas dépassée.

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