Simulation structurelle et des fluides pour les produits pétroliers et gaziers

La conception de produits pétroliers et gaziers présente de nombreux défis uniques. Pour les concepteurs et les ingénieurs, la première étape consiste à comprendre le fonctionnement d’un puits pétrolier et sa composition. La figure ci-dessous présente un puits de pétrole classique. La gaine du puits est en contact avec le sol, elle est par conséquent soumise à une pression externe. La colonne a pour rôle l’acheminement du fluide, elle peut donc être soumise à différentes contraintes comme une pression interne et externe ainsi que des forces de tension et de compression.

La tige de pompage se situe à l’intérieur de la colonne et permet d’activer la pompe se trouvant au fond du puits de pétrole. Un puits de pétrole classique a une profondeur comprise entre 1 500 m et 5 000 m, en fonction de la région d’exploration. De nombreuses connexions sont regroupées dans un seul câble, par conséquent si une seule de ces connexions échoue, c’est toute la production du puits de pétrole qui est affectée.

Puits de pétrole

Il existe une grande variété de produits pétroliers et gaziers, mais, dans cet article, je me concentrerai sur deux d’entre eux : la connexion de la tige de pompage et la connexion filetée entre la colonne et la gaine. Ces composants présentent différentes défaillances dans le puits de pétrole qui entraînent des problèmes de production et peuvent provoquer l’augmentation des coûts. La figure ci-dessous nous montre une connexion de tige de pompage (à gauche) et une connexion colonne-gaine (à droite).

Connexion de tige de pompage et connexion filetée

Dans le cadre de la simulation de ces composants, il est très important de connaître le processus entraînant la défaillance pour chacun d’entre eux. Dans le cas des tiges de pompage, des charges alternées transmettent un champ de contraintes variable. Des concentrations de contraintes sont également visibles dans les fonds de filet. Les effets de ces contraintes tendent à produire des ruptures de fatigue après un certain nombre de cycles.

La figure ci-dessous montre une connexion de tige de pompage présentant une défaillance dans le dernier fond de filet engagé. La photographie de gauche indique le point de rupture tandis que celle de droite montre le processus de rupture qui commence par une rupture ductile jusqu’à ce que toute la section se rompe et présente une fracture fragile. L’image du bas montre une connexion complète et un début de fracture sur le composant de la tige.

Rupture de fatigue dans les tiges de pompage

Les connexions filetées colonne-gaine présentent un autre mode de défaillance. Puisqu’elles sont soumises à d’autres types de charges statiques (tension, compression, pression interne et pression externe), une déformation permanente apparaît en raison de la plasticité du matériau. Enfin, le problème avec ces connexions réside dans les fuites au niveau de la zone d’étanchéité.

Défaillance dûe à une déformation permanente

Solutions SOLIDWORKS Simulation

Ces modes de défaillance sur les connexions des tiges de pompage et les connexions colonne-gaine entraînent une augmentation des coûts et allongent les délais de développement. Pour éviter ces problèmes, il est nécessaire de recourir à des logiciels qui vous permettent de tester différentes options de conception et d’évaluer les performances des produits. Ces logiciels doivent être simples et intuitifs et offrir une assistance en continu.

Caractéristiques clés de la plate-forme SOLIDWORKS

La solution à la rupture de fatigue dans les tiges de pompage consistait à revoir la conception de la connexion en utilisant des facteurs de concentration des contraintes pour obtenir la conception optimale. L’image ci-dessous à gauche montre le résultat de la conception API classique (option 1) et une nouvelle conception API modifiée (option 2). La nouvelle conception comporte uniquement une modification au niveau de l’angle permettant de mieux répartir le champ de contraintes par rapport à la conception précédente. Vous pouvez observer sur la droite une comparaison des coefficients de contraintes. La conception classique présente les moins bonnes valeurs (courbe rouge) et le coefficient de contraintes de la nouvelle conception est clairement meilleur (courbe verte).

Résultats pour la tige de pompage

En ce qui concerne la connexion filetée, la performance du joint au niveau de la connexion a été évaluée, ce qui a permis au concepteur de définir les charges critiques. L’image ci-dessous me permet de vous montrer la zone d’étanchéité (à gauche) et l’évaluation de la performance du joint (à droite). J’utilise généralement trois types de facteurs : 1) SF – force du joint ; 2) SP – pic d’étanchéité ; et 3) SL – longueur du joint. Ces facteurs m’ont permis d’évaluer la performance du joint.

Résultats pour la connexion filetée

Pour résumer l’étude de ces deux cas, nous pouvons dégager les conclusions suivantes :

• Disposer d’outils de simulation flexibles, pour choisir la meilleure conception, permet de raccourcir les délais de développement
• L’évaluation de la performance des composants (gaine, colonne) aboutit à des produits de meilleure qualité

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