Élaboration d’un procédé de soudage de tête de puits de gaz corrosif

Brian Wilson, ingénieur, Canspec Group Inc.
Peter Cavanagh, ingénieur, Suncor Energy Inc.
Roy Baguley, ingénieur, Metal Engineers International Inc.

Résumé

Suncor Energy faisait face à un besoin et il lui fallait mettre au point un procédé de soudage permettant de joindre un tubage en acier faiblement allié à haute résistance et des matériaux de tête de puits, tout en maintenant un degré acceptable de faible dureté, pouvant résister à la fissuration sous contrainte induite par sulfure dans un environnement d’exploitation acide. Le présent article traite des propriétés des matériaux, des questions de soudabilité, des essais de soudage en laboratoire et des constatations clés ayant mené à l’installation couronnée de succès, grâce au procédé de soudage mis au point, d’une tête de puits de gaz corrosif de Suncor (dit aussi gaz acide).

Introduction

Suncor Energy dispose d’un programme de forage et de production de gaz pour la constitution de réserves de gaz le long du district de Foothills en Alberta. Ces réserves de gaz contiennent des concentrations variées de sulfure d'hydrogène, qui peuvent présenter des problèmes du point de vue des matériaux pour ce qui est à la fois de la fissuration par corrosion sous contrainte et de la fissuration sous contrainte induite par sulfure (FCIS). Comme le définit la norme MR0175 de la NACE, le contrôle de la dureté est un facteur essentiel de la résistance des aciers au carbone et faiblement alliés à la FCIS dans des environnements acides. La durée Rockwell maximale spécifiée est 22 HRC. Les directives de soudage données dans la publication « Alberta Recommended Practices For Drilling Sour Wells » fait référence à la norme MR0175 de la NACE et exigent des contrôles de la dureté pour les procédés de soudage à l’égard de tous les assemblages soudés vulnérables en milieu d’exploitation acide.

La conception de puits de Suncor pour les puits acides exige des soudures d’angle de têtes de tubage amovibles (« cloche de repêchage à coins ») de la norme API 6A PSL 3, catégorie 75K (limite d'élasticité conventionnelle – minimum de 75 000 psi) sur des tubages de surface de la norme API 5CT nuance L80 (limite d'élasticité conventionnelle – minimum de 80 000 psi). Les matériaux de base du tubage et de la cloche de repêchage à coins correspondent aux paramètres de trempe et revenu et d’essai de dureté pour la conformité à la norme MR0175 de la NACE. Le choix de la métallurgie pour le tubage nuance L80 comprend un acier au carbone-manganèse ordinaire et un acier faiblement allié au chrome-molybdène. La cloche de repêchage à coins est faite d’un matériau en acier forgé AISI 4130.

La cloche de repêchage à coins est ajustée et soudée au tubage à l’emplacement du puits, une fois le tubage installé dans le puits. La figure 1 représente une coupe longitudinale montrant la cloche de repêchage à coins ajustée sur le dessus du tubage, les soudures d’angle intérieur et extérieur étant en place. Le défi consiste à établir un procédé de soudage d’angles afin d’assembler le tubage et la cloche de repêchage à coins en un lieu donné (souvent pendant les mois d’hiver). Il en résultera des soudures qui répondent avec fiabilité et de façon constante au critère de dureté 22 HRC de la norme MR0175 de la NACE, tout en conservant la résistance et l’intégrité nécessaires des matériaux de base à haute résistance d’origine.

Évaluation préliminaire de la soudabilité

Le contrôle de la dureté pour les aciers et les soudures en acier faiblement allié exige un contrôle de la composition chimique du matériau (en particulier, l’équivalent en carbone), du préchauffage et du traitement thermique après soudage (TTAS). La formule que voici, de l’équivalent en carbone (EC) de l’IIS, est le paramètre le plus couramment employé pour définir la soudabilité des aciers :

CE_IIW = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

À l’aide de cette formule, il a été déterminé que le tubage en acier C Mn traditionnel, nuance L80, retenu par Suncor, possédait une valeur (EC) d’environ 0,48, tandis que le tubage en acier faiblement allié Cr Mo sélectionné possédait une valeur EC considérablement plus élevée de 0,60. La valeur EC nominale pour le matériau de la cloche de repêchage à coins AISI 4130 se situait dans l’étendue de 0,68. Ces valeurs EC relativement élevées exigent des pratiques de soudage à basse teneur en hydrogène et de préchauffage (pour éviter le risque de fissuration par hydrogène ultérieure), ainsi qu’un certain degré de TTAS pour contrôler la dureté dans la soudure et dans les zones affectées par la chaleur (ZAC).

Pour des raisons d’ordre pratique et de facilité d’utilisation sur le terrain, il a été établi à un stade précoce du projet que le soudage de fixation de la cloche de repêchage à coins sur place serait exécuté à l’aide du soudage à l'arc avec électrode enrobée (procédé SMAW), à l’aide d’électrodes à bas hydrogène. Il a également été déterminé que le recours aux électrodes E7018 se traduirait par une trop faible résistance de la soudure et que l’alliage des électrodes E9018 serait trop élevé pour un contrôle approprié de la dureté de la soudure. Par conséquent, les électrodes E8018 ont semblé un compromis acceptable, car elles offrent une résistance de la soudure suffisante et une trempabilité comparable aux matériaux de base. La catégorie précise de l’électrode retenue était E8018-B2, laquelle possède un alliage Cr et Mo semblable aux matériaux de base. Les électrodes en alliage de nickel (p. ex. E8018-C2) ont été évitées, étant donné que la norme MR0175 de la NACE précise que le nickel ne doit pas dépasser 1 % pour les aciers ou les soudures dans un environnement d’exploitation acide.

Des essais à la perle sur plaques ont été menés sur des échantillons du matériau de tubage C Mn et Cr Mo, nuance L80. Ils faisaient appel à des niveaux variables de préchauffage et de TTAS pour l’évaluation préliminaire des effets du préchauffage et du TTAS sur la dureté. Un apport de chaleur de soudage constant de 0,9 kJ/mm a été utilisé pour tous les dépôts de soudure. Ces essais préliminaires ont permis de déterminer qu’un préchauffage minimum de 200 ° C était nécessaire afin de contrôler la dureté du brut de soudage et éviter le risque de fissuration par l’hydrogène, alors qu’une température de TTAS minimale de 675 ° C pendant une heure a été jugée nécessaire afin de répondre à la limite maximale de 22 HRC.

Les essais de traction des matériaux de base du tubage qui avaient été soumis aux cycles thermiques TTAS allant de 675 ° C pendant une heure à 705 ° C pendant trois heures ont révélé que la limite d’élasticité du tubage C Mn est tombée sous le seuil minimum spécifié de 80 000 psi pour tous les cycles de TTAS, alors que le tubage Cr Mo possédait un alliage suffisant pour maintenir la limite d’élasticité au-dessus du seuil minimum spécifié pour tous les cycles de TTAS. Cela tenait au fait que les cycles de TTAS étaient tous à des températures inférieures à la température de revenu originale utilisée pour le traitement thermique par trempe et revenu du tubage Cr Mo. Étant donné la nécessité d’une température de TTAS d’au moins 675 ° C pour le contrôle de la dureté de la ZAC de la cloche de repêchage à coins 4130, le produit de tubage C Mn ordinaire a été écarté de toute évaluation future aux fins de ce programme.

Essais de simulation de soudage en laboratoire

Trois essais de soudage ont été menés dans le laboratoire à l’aide d’un produit de tubage API nuance L80 Cr Mo et de cloches de repêchage à coins AISI 4130, catégorie 75K. La cloche de repêchage à coins a été placée au-dessus de l’extrémité préparée du tubage, préchauffée à environ 250 ° C et soudée par points à l’extérieur à l’aide d’électrodes E8018-B2, et ensuite les soudures d’angle intérieur et extérieur ont été appliquées au moyen de trois passes pour chaque soudure. Les paramètres de soudage ont été mesurés et enregistrés pour chaque passe et les valeurs en apport de chaleur ont été calculées. Des éléments chauffants en céramique à résistance électrique ont été employés pour obtenir la chaleur contrôlée nécessaire au cycle de TTAS, les cycles de chauffage et de refroidissement étant contrôlés conformément au code de l’ASME, section VIII, division 1.

Une fois terminées et refroidies à la température ambiante, les soudures intérieures et extérieures ont été examinées par contrôle magnétoscopique pour vérifier l’absence de discontinuités de la surface. Des coupes transversales métallurgiques ont été découpées à même les soudures d’angle intérieur et extérieur et ensuite polies et gravées en préparation de l’essai de dureté Rockwell. La figure 2 fait voir la coupe transversale type, provenant de l’un des essais de simulation de soudage, qui illustre l’aménagement et les dimensions relatives du tubage, de la cloche de repêchage à coins et des soudures d’angle.

Figure 2 : Coupe transversale type d’un essai de simulation de soudure

L’essai de simulation de soudure initial reposait sur un cycle de TTAS de deux heures à 675 ° C, des éléments chauffants guipés étant utilisés et la température étant contrôlée à l’aide de thermocouples fixés à la surface de soudure externe. Les essais de dureté ont révélé que la soudure d’angle extérieur répondait au critère de l’environnement d’exploitation acide de la NACE, de 22 HRC au maximum. Cependant, la ZAC de la cloche de repêchage à coins pour la soudure interne était de 24 à 27 HRC. Il a été conclu que cela était attribuable à l’épaisseur de la coupe (> 30 mm) de la cloche de repêchage à coins, séparant la soudure interne de la source de chaleur TTAS externe.

Par suite de cet essai de soudure initial, un deuxième essai de soudure a été effectué dans des conditions de soudage identiques et à l’aide d’éléments chauffants guipés externes pour le TTAS. Cependant, le cycle de TTAS a été prolongé à deux heures à 675 ° C, suivi d’une heure à 705 ° C. Des thermocouples supplémentaires ont été fixés à la soudure d’angle intérieur pour surveiller la température interne pendant le TTAS. Même avec le cycle TTAS prolongé, les lectures des thermocouples internes ont confirmé que la soudure d’angle intérieur n’atteignait toujours pas la chaleur minimale spécifiée de 675 ° C au cours de cette période de trois heures. Des essais Rockwell subséquents ont également confirmé que la ZAC de la soudure interne dépassait toujours la limite de 22 HRC fixée par la NACE.

Par conséquent, ces deux essais de soudure ont permis de constater que la seule façon efficace d’atteindre le cycle de TTAS exigé à la fois pour les soudures d’angle intérieur et extérieur à des fins de contrôle de la dureté serait d’avoir recours à l’application simultanée des éléments chauffants sur les soudures interne et externe. Un troisième essai de soudure a par conséquent été mené à l’aide d’éléments chauffants internes et externes et de thermocouples employés pour le cycle de TTAS de 675 ° C pendant une heure. La figure 3 illustre le troisième essai de soudure de la cloche de repêchage à coins après l’installation des éléments chauffants à résistance électrique interne et externe. Les essais de dureté Rockwell des coupes métallographiques provenant de ce troisième essai de soudure ont confirmé que les assemblages soudés, à la fois interne et externe, respectaient le critère de 22 HRC au maximum.

Une éprouvette de traction a été découpée à même le matériau de la cloche de repêchage à coins 4130 après un cycle prolongé de TTAS de trois heures à 675 ° C. Les résultats de cet essai ont été comparés au certificat d'essais en usine pour le matériau de la cloche de repêchage à coins tel que fourni, ce qui a confirmé que le cycle de TTAS n’a pas eu d’effet adverse sur la résistance du matériau de la cloche de repêchage à coins.

Mise en œuvre de la soudure de la cloche de repêchage à coins sur place

Par suite des essais de soudure en laboratoire couronnés de succès à l’aide du tubage nuance L80 et des matériaux de la cloche de repêchage à coins 4130, une « procédure d’installation de la cloche de repêchage à coins » a été rédigée et mise au point à l’intention du service de forage de Suncor Energy. Cette procédure contient des lignes directrices critiques pour l’installation sur place des cloches de repêchage à coins. Ce document a été rédigé de manière à fournir des directives pratiques, réalisables et efficaces pour l’installation de soudures solides qui répondent aux critères de dureté pour l’exploitation dans un environnement acide.

Cette procédure d’installation comprend les points critiques à observer pendant le stade de l’acquisition du tubage et de la cloche de repêchage à coins (p. ex. la classe du matériau, l’alliage et le traitement thermique), au cours du processus de contrôle de la qualité, à l’égard des pratiques d’installation (p. ex. montage, nettoyage, préchauffage, procédés de soudure et TTAS) et en ce qui concerne les exigences liées à l’inspection non destructive. La figure 4 est une photographie de l’installation de la soudure d’angle extérieur sur une tête de puits de gaz corrosif (acide) sur le terrain.

Si l’on suit les directives d’installation, il ne sera plus nécessaire de procéder à un essai de dureté in situ des soudures à des fins de vérification de la conformité aux normes de 22 HRC. Il s’agit là d’un accomplissement considérable, car les duromètres portatifs sur la surface des soudures d’angle de la cloche de repêchage à coins, à l’emplacement du puits, sont reconnus pour leur manque de précision et, en général, pour leur manque de fiabilité, en raison des limitations des appareils de mesure de dureté et de l’inaccessibilité aux ZAC critiques des soudures.

Sommaire

La présente recherche et les travaux préparatoires, une collaboration entre Suncor Energy, Canspec Group et Metal Engineers International, ont donné lieu à la mise au point d’une pratique de soudage ayant fait ses preuves pour l’installation des cloches de repêchage à coins sur le dessus d’un tubage. À ce jour, Suncor a eu recours à la « procédure d’installation de la cloche de repêchage à coins », avec succès, sur au moins deux sites de puits de gaz acide. Cette procédure s’est avérée un moyen viable et efficace d’assurer l’installation de raccords sûrs, pour les cloches de repêchage à coins, pouvant résister à la fissuration sous contrainte induite par le sulfure dans un environnement acide et étant conformes aux exigences réglementaires et de l’industrie.

Remerciements

Ce travail préparatoire de soudage a pu être réalisé grâce au parrainage et au financement de Suncor Energy Inc. Les auteurs tiennent à remercier Suncor Energy pour son appui à ce projet.