Brevet FR2009179A1 — publié le 19700130

L'invention concerne les opérations de forage, d'exploitation et d'entretien de puits sous-marins et plus particulièrement, un appareil pouvant être descendu d'un navire à flot pour servir à manipuler à distance des éléments, outils et autres équipements 5 associés aux puits» Pour tenter de localiser de nouveaux champs de pétrole, on effectue de plus en plus de forages au large, par exemple au large des côtes de Californie, de Louisiane et du Texas, et plus récemment au large des côtes de l'Alaska et dans la me.r du îford. 10 En général, les colonnes de tubage de revêtement d'un puits ainsi que la ou les colonnes de tuoage d'exploitation vont jusqu'à un point situé au-dessus de la surface de l'eau où on les ferme de la façon usuelle pour les puits terrestres, un ensemble usuel de tête de forage étant fixé au sommet du tubage de revêtement» Récemment^ 15 on a proposé des procédés et appareils permettant de forer et d'achever le puits et dans lesquels le puits et la tête de tubage et ensuite l'ensemble de tête de forage et le dispositif de fermeture de tubage sont situés sous l'eau à une profondeur suffisante pour que les navires puissent passer au-dessus. 20 Dans le cas de ces dernières installations sous-marines, il faut prévoir dee moyens pour effectuer les diverses opérations nécessaires sur le puits sous-marin et l'ensemble de tête de forage qui lui est associé» Ce problème devient spécialement difficile quand l'emplacement du puits sous-marin se trouve à une telle dis-25 tance sous la surface de l'océan ou autre masse d'eau que l'utilisation de scaphandriers soit exclue. En conséquence, on a imaginé et utilisé une large variété d'outils et composants spéciaux pour exécuter à distance les opérations sous-marines désirées depuis Aes navires flottant sur la surface de la mer au-dessus de l'emplacement 50 du puits. Ces outils et composants sont-descendus du navire jusqu'à l'emplacement du puits par diverses méthodes bien connues, par exemple au moyen de colonnes de tuyauterie et/ou de câbles de guidage qui descendent du navire» Dans le cas où l'on utilise des colonnes de tuyauterie 35 pour exécuter ces opérations, il faut utiliser des moyens pour éviter que la colonne de tuyauterie ne se mette en boucle et/ou qu'elle ne se brise ainsi que l'équipement qui lui est suspendu, par suite du fait que le navire monte et descend à la surface de l'eau et que BAD ORIGINAL 69 16503 2 2009179 la distance entre le navire et l'installation:saas-marine varie donc» Aussi, l'un des buts principaux de l'invention est de fournir des appareils permettant d'effectuer des opérations sur un puits 5 sous-marin depuis un navire à flot, l'appareil étant de construction télescopiaue de manière à compenser le mouvement relatif entre le navire et l'installation de puits sous-marins* On atteint ce but, dans l'invention grâce à un appareil servant à exécuter des opérations sur un puits sous-marin depuis 10 un navire à flot et qui comprend deux éléments télescopiques mobiles relativement, l'un des éléments étant conçu pour se fixer à une colonne de tuyauterie ou agencement similaire qui pend du navire et l'autre élément étant conçu pour tenir le composant, l'outil etc» qu'il s'agit de descendre, de repêcher ou de manipuler 15 autrement depuis le navire. Des poulies sont montées, relativement aux éléments télescopiques, de la façon voulue pour rattraper le mou des câbles de commande associés, en réponse à l'action télesco-pique des éléments» En outre, un système d'amortissement comprenant des cylindres hydrauliques chargés de gaz montés sur l'an des élé— 20 ments et qui agissent en coopération avec des pistons montés sur l'autre élément est prévu pour absorber l'énergie longitudinale de choc communiquée à l'appareil» D'autres buts et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude des dessins annexés et de la description ci-après» 25 Pour décrire l'invention en détail, on se référera aux dessins annexés sur lesquels les mêmes références désignent des pièces correspondantes sur les différentes vues : la figure 1 montre schématiquement l'appareil selon l'invention lorsqu'on le descend au voisinage d'un ensemble de tête de 30 forage sous-marin au moyen d'une colonne de tuyauterie qui pend d'un navire à flot ; la figure 2 est une vue longitudinale détaillée agrandie montrant un appareil selon l'invention associe à un équipement de branchement de tuyauterie d'écoulement et en cours de descente le 35 long d'un câble de guidage ; • la figure 3 est un détail agrandi en coupe partielle du système d'amortissement de choc utilisé sur un appareil selon l'invention. ; bad original 69 16503 3 2009179 la figure 3A est une coupe suivant la ligne 3A-3A de la figure 3 ; la figure 4 est une coupe agrandie suivant la ligne 4-4 de la figure 3 ; 5 la figure 5 est une coupe agrandie suivant la ligne 5-5 de la figure 3 ; la figure 6 est une coupe agrandie montrant des détails du dispositif d'amortissement utilisé dans 1'appareil selon l'invention ; 10 la figure 7 est une vue longitudinale détaillée agrandie montrant des positions relatives prises par les éléments de l'appareil selon l'invention pendant différents stades du fonctionnement de celui-ci ; la figure 8 est une autre vue longitudinale détaillée 15 agrandie montrant des positions relatives prises par des éléments de l'appareil selon l'invention pendant différents stades de son fonctionnement * Sur la figure 1, un navire ou plateforme est représenté par la référence générale 11. le navire ou plateforme 11 est de 20 tout type approprié,qui flotte de préférence comme on l'a représenté à la surface d'une masse d'eau 12 et qui est mis dans une position pratiquement fixe en un point choisi à l'avance par des moyens appropriés de positionnement de navire ou par le fait qu'il est ancré au fond 13 de la mer ou de l'océan par des ancres appro-25 priées (non représentées) reliées aux câbles d'ancre 14 et 15. On peut utiliser un équipement de ce type lorsqu'on exécute des opérations sur des puits situés à environ 30 - 500 m ou davantage sous l'eau» le navire 11 est équipé d'un derrick approprié 16 et d'autres appareillages auxiliaires usuels tels qu'un système de 30 treuils 17» un plateau tournant 18, etc. Le derrick 16 peut être disposé au-des*u8 d'une fente ou fosse de forage 19 qui traverse verticalement le navire 11 de façon usuelle. Quand on utilise l'équipement de l'invention, la fente 19 du navire 11 peut être située au centre ou bien partir de l'un des bords» (Toutefois, on 35 peut aussi exécuter des opérations par dessus le bord du navire 11 sans utiliser la fente 19» Un ensemble sous-marin d'exploitation 21 comprenant un ensemble de tête de forage 22 est représenté disposé sur le fond 69 16503 4 2009179 13 de l'océan et fixé à ce fond par un tube-guide ou tubage de revêtement 23 qui pénètre dans le fond 13 et qui y est de préférence cimenté. Le tubage 23 passe à travers la base d'équipement 24 de l'ensemble d'exploitation 21, son intérieur communiquant avec 5 l'ensemble de tête de forage 22 de la façon usuelle. La base d'équipement 24 est munie de multiples colonnes de guidage dressées 25» 26 et 27 à position fixe. Ses câbles de guidage 28, 29 et 30 sont fixés aux colonnes de guidage et se dirigent vers le haut en partant de ceux-ci, à travers l'eau, pour arriver au navire 11 où 10 ils sont de préférence fixés à des treuils de tension constante 31 et 32. L'ensemble de tête de forage 22 peut être de toute structure convenant aux opérations d'exploitation sous-marine et à titre d'exemple on peut supposer que l'ensemble 22 a été préalable— 15 ment descendu ai position depuis le navire 11 le long de câbles de guidage 29 et 30 d'une façon bien connue dans la technique. Etant donné que l'ensemble de tête de forage ne fait pas partie de l'invention et peut être de tout type approprié, il n'est pas nécessaire de la décrire plus en détail. L'ensemble de tête de forage 22 20 comprend au moins un tuyau d'écoulement 33 qui de préférence décrit une longue courbe pour arriver à une position pratiquement horizontale et se termine par un raccord 34 de toute structure appropriée. Le tuyau 33 communique avec un tubage d'exploitation (non représenté) qui pénètre dans le tubage de revêtement 23, à l'intérieur du 25 puits, de façon connue. On considérera maintenant les figures 1 et 2 ; elles montrent une colonne de tuyauterie 39 qui pend du navire 11 et à l'extrémité inférieure de laquelle est fixé par tous moyens de raccordement appropriés l'appareil selon l'invention indiqué par la réfé-30 rence générale 40.L'appareil 40 comprend un élément tubulaire supérieur 41 fixé à la colonne de tuyauterie 39 par tout dispositif approprié de liaison et un élément tubulaire inférieur 42» L'élément tubulaire inférieur 42 présente un diamètre extérieur un peu plus petit que la diamètre intérieur de l'élément tubulaire supérieur 41 35 et pénètre de bas en haut à l'intérieur de celui-ci, comme on peut le voir plus clairement sur la figure 3. Comme le montre particulièrement la figure 3» sur l'élément tubulaire inférieur 42 est formé solidâirement un rebord 43 69 16503 5 2009179 qui est disposé à l'intérieur ou dans l'alésage passant de l'élément tubulaire supérieur 41.Une plaque 44 est disposée sur l'élément tubulaire inférieur 42, en dessous de l'élément tubulaire supérieur 41. Gomme on peut le voir surtout sur la-figure-3A, la 5 plaque 44 définit un alésage passant 35 qui est un peu plus large que le diamètre extérieur de l'élément tubulaire inférieur 42, ce qui fait que la plaque 44 peut coulisser sur l' élément tubulaire 42. Deux encoches 36 et 37 sont prévues dans la plaque 44 pour communiquer avec l'alésage passant 35» 10 Plusieurs nervures solidaires 45a, 45b, 45c et 45d sont prévues parallèlement sur la portion de l'élément tubulaire inférieur 42 qui est située entre les rebords 43 et 44, comme on le voit sur les figures 3 et 5. les nervures 45a et 45c sont formées pratiquement sur toute la longueur de l'élément tubulaire inférieur 15 42 tandis que les nervures 45b et 45d se terminent plus haut sur l'élément tubulaire 42 et sur les figures 3 et 5, elles sont indiquées comme rejoignant la surface supérieure de la plaque 44. Par contre, les nervures 45a et 45ff sont logées par des encoches 36 et 37 de la plaque 44 (figure 3A) et peuvent y coulisser librement. 20 les nervures 45a et 45c maintiennent un alignement correct de rotation entre les éléments 41 et 42 dans toute la "course1' axiale de l'appareil. l'élément tubulaire supérieur 41 s'évase vers l'extérieur dans le bas pour former une jupe solidaire 46 (figure 3)» Contre la 25 jupe 46 est placé un coussinet 47 qui peut être maintenu en position par tout moyen connu, par exemple être soudé ou fixé autrement à la jupe 46. Si on le désire, une joue 48 peut être fixée de toute façon désirée au coussinet 47, du côté opposé à la jupe 46. En outre, une bague d'usure 49 peut être maintenue entre le coussinet 30 47 et la joue 48 de la façon indiquée sur les figures 3 et 4. Sur la jupe 46 sont montés, vers le haut, des cylindres 50 et 51 dans lesquels sont disposées des tiges respectives de piston 52 et 53. les tiges de piston 52 et 53 sont reliées à leurs extrémités inférieures, de toute manière connue, par exemple par des 35 filetages, des contre-écrous, etc., à la plaque 44 disposée sur l'élément tubulaire inférieur 42. les tiges de piston 52 et 53 passent à travers des alésages passants alignés prévus dans la jupe 46, le coussinet 47 et la joue 48, de la façon représentée plus claire 69 16503 b 2009179 ment sur la figure 3, les dimensions respectives des alésages passants et des tiges de piston 52 et 53 étant telles que les tiges de piston 52 et 53 puissent se mouvoir librement axialement à-l'intérieur des alésages. Des joints toriques ou d'un autre type,sont 5 prévus pour assurer une adaptation étanche entre les tiges de piston 52 et 53 et le presse-étoupe inférieur situé à la base des cylindres 50 et 51. Par exemple, le joint 52a est représenté en position de coopération avec la tige de piston 52, de manière à empêcher le passage de fluide entre eux. Comme on peut le voir surtout 10 sur les figures 3 et 4» l'élément tubulaire inférieur 42 passe à travers un alésage passant central 42a formé par les éléments 46 et 47 et la joue 48 pour arriver à l'intérieur de l'élément tubulaire supérieur 41• A l'intérieur de chacun des cylindres 50 et 51 est logé 15 un piston tel que le piston 58 indiqué spécialement sur la figure 6 pour le cylindre 50. les dimensions des pistons sont telles que leur périphérie cylindrique extérieure est adaptée de façon étanche aux parois intérieures de leurs cylindres respectifs tout en permettant un mouvement axial relatif. Cosame on l'a indique pour le 20 piston 58, un joint tel que le joint torique 59 peut être prévu sur le piston pour assurer cette étanchéité. Les tiges respectives de piston 52 et 53 sont fixées de toute façon connue aux pistons mentionnés plus haut. Sur la figure b par exemple, la tige de piston 52 est représentée fixée au piston 58 par des contre-écrous 60 et 61 25 vissés sur la tige 52 de part et d'autre du piston 58. les cylindres 50 et 51 sont soumis à une pression de gaz en dessous des pistons ce qui produit un effet d'amortissement de toutes forces exercées de haut en bas sur les tiges de piston, de façon évidente» l'effet et le fonctionnement des moyens d'amortissement décrits 30 plus haut seront décrits en détail ci-après dans la mesure où ils concernent les éléments restant à décrire de l'invention. On considérera à nouveau les figures 1 et 2 ; l'appareil selon l'invention est représenté tel qu'on l'utilise pour descendre en position de coopération avec un ensemble sous-marin d'exploi-35 tation 21 un outil indiqué par la référence générale 65 et qui peut être par exemple un raccord de tuyau d'écoulement du type général décrit dans la demande de brevet américain n® 3«298.092» Gomme indiqué plus complètement dans ledit brevet, un outil de raccordement 69 16503 7 2009179 de tuyau d*écoulement tel que 1 ' outil 65 sert |i relier des tuyaux d'écoulement sous-marins (non représentés) à des raccords tels que le raccord 34, associé dans le cas présent à un ensemble sous-marin d'exploitation. Mais comme on l'a dit plus haut, l'appareil selon 5 l'invention peut servir à descendre, à repêcher ou à manipuler autrement divers composants, y compris des outils et des composants de puits, au fond de l'océan, et à exécuter de nombreux autres travaux, par exemple des travaux exceptionnels de traction et de repêchage. Pour cette raison, et étant donné que l'outil 65 ne fait pas 10 partie de l'invention, on n'estime pas nécessaire de la décrire plus en détail. L'outil 65, ainsi que tout autre outil et/ou composant à utiliser, peut être fixé à l'élément tubulaire inférieur 42 par toute forme de dispositif de liaison, par exemple par des filetages ou des boulons. 15 Du navire 11 part un câble à conducteurs multiples ou câ ble de commande 66 qui se dirige vers le bas en passant le long de la colonne de tuyauterie 39 puis par l'appareil 40 pour arriver à l'outil 65 et qui sert à transmettre des signaux électriques, hydrauliques ou pneumatiques aux divers composants du système d'outil 20 de raccordement de tuyau d'écoulement. Le câble 66 passe à travers une piace 67 prévue sur la colonne de tuyauterie 39 et à travers le support 68 et la pince 69 montés de façon fixe sur l'élément tubulaire supérieur 41 de l'appareil 40. Après sa sortie du bas de la pince 69, le câble 66 passe autour et en dessous d'une poulie tour-25 nante 70 qui est de préférence lestée et qui est montée de toute manière désirée en vue d'un mouvement libre de montée et de descente axiale relativement à un guide porté par l'élément tubulaire supérieur 41» par exemple à une fente 71 prévue dans celui-ci. Après avoir passé autour du bas de la poulie 70, le câble 66 continue son 30 trajet vers le haut jusqu'à une deuxième poulie 72 qui est montée de manière à pouvoir tourner sur un axe 73 disposé de façon fixe sur l'élément tubulaire supérieur 41. Après avoir fait une boucle sur la poulie 72, le câble 66 poursuit son trajet vers le bas à travers un tube de guidage 74 monté sur la portion inférieure de l'élément 35 tubulaire 41, puis passe à travers la pince 75 montée sur l'élément tubulaire inférieur 42 pour arriver à l'élément terminal 76 monté sur l'outil 65» après quoi les conduits ou conducteurs séparés du câble poursuivent leur trajet vers l'intérieur de l'outil lui-même. 69 16503 8 2009179 On décrira maintenant le fonctionnement de l'appareil selon l'invention» Une fois que l'on a établi entre le navire 11 et l'ensemble d'exploitation sous-marine 21 des câbles de guidage tels que 28, 29 et 30, par tous les moyens connus de la technique 5 antérieure, on relie à l'élément tubulaire inférieur 42 de l'appareil 40 ua outil ou appareil tel que l'outil 65 qu'il s'agit de descendre en position et on le descend du navire 11, par exemple au moyen de la colonne de tuyauterie 39= Des guides cylindriques tels que les guides 80 et 81 reliés par des châssis à l'outil 65 et 10 le guide 82 relié par un châssis à l'élément tubulaire supérieur 41 sont de préférence prévus pour glisser le long d'un ou plusieurs des câbles de guidage et assurer ainsi la stabilité pendant l'opération de descente et le positionnement de l'outil lorsqu'on l'adapte à l'ensemble 21. L'opération de descente au moyen d'une colonne 15 de tuyauterie telle que la colonne 39 s'effectue de la façon usuelle, c'est-à-dire par addition de segments individuels de tuyauterie à la colonne, à bord du navire 11. Une fois qu'on a descendu l'outil 65 et qu'on l'a verrouillé ou fixé autrement en position sur l'ensemble 21, on continue de 20 descendre la colonne de mise en place 39 jusqu'à ce que l'appareil 40 soit à mi-course. A ce moment, on fixe la colonne de mise en place au navire de forage. L'élément tubulaire 41 monte et descend sur l'élément tubulaire inférieur 42 à mesure que la distance entre le navire 11 et l'ensemble 21 varie par suite de la montée et de la 25 descente de la surface de la masse d'eau 12. Un alignement correct de rotation est maintenu entre les éléments 41 et 42 par les nervures 45a et 45 c lorsque l'appareil effectue sa course. Pendant que l'élément tubulaire supérieur 41 se meut vers le bas, la poulie 70 se meut aussi vers le bas à l'intérieur de la fente ou du guide 30 71 pour rattraper le mou éventuel produit dans le câble 66 par cette action de télescopage, de la façon illustrée par la figure 7, De même, la poulie 70 se meut vers le haut relativement à la fente ou au guide 71 quand le navire 11 monte et que par suite, l'élément supérieur 41 se meut vers le haut relativement à l'élément tubulaire 35 inférieur 42 comme le montre la figure 8. De cette manière, le câble 66 est toujours maintenu sous tension quelle que soit l'action télescopique des deux éléments tubulaires 41 et 42, ce qui empêche le câble de s'accrocher éventuellement par suite de cette action» 69 16503 9 2009179 Une fois que les opérations désirées ont été effectuées sur l'emplacement du puits et si l'on désire retirer à la surface de l'eau l'appareil 40 et l'outil associé, on effectue les opérations nécessaires de débranchement au moyen de signaux qui passent 5 par le câble 66. On tire alors vers le haut la colonne de tuyauterie 39 vers le navire 11, de la façon usuelle» Dans le cas où l'on n'a pas exécuté les opérations voulues de débranchement par suite d'un mauvais fonctionnement de l'équipement et où l'outil et/ou le composant de tête de forage reste attaché au reste de l'ensemble 10 sous-marin d'exploitation, l'opérateur qui se trouve à bord du navire 11 est capable de détecter ce fait avant qu'une force ascendante suffisante ne soit exercée sur la colonne de tuyauterie 39 pour causer des dommages à l'ensemble sous-marin 21, à l'outil et/ ou à l'appareil 40, Gela provient du fait qu'un certain "toucher11 15 est assuré par les moyens d'amortissement décrits plus haut, comprenant les cylindres 50 et 51, les tiges de piston 52 et 53 et les pistons associés. Une traction vers le haut exercée sur la colonne de tuyauterie 39 et par suite sur l'élément tubulaire 41 a pour effet que la plaque 44 touche les nervures 45b et 45d, arrê-20 tant ainsi le mouvement de la plaque tout en tirant les cylindres 50 et 51 vers le haut relativement aux pistons, par exemple au piston 58 qui sont empêchés de se mouvoir vers le haut par suite de la coopération de la plaque 44 et des nervures 45b et 45do l'effet d'amortissement du gaz dans les cylindres 50 et 51, sur le fond 25 des pistons, empêche la rupture de 1'équipement tout en avertissant l'opérateur que l'opération voulue de déblocage ou de verrouillage de l'outil n'a pas été effectuée. On peut alors prendre des mesures pour remédier à l'inconvénient. 69 16503 10 2009179 - BEVaSSICATIOaS - - 1) Un appareil serrant à exécuter des opérations sur une installation sous-marine depuis un 22avire à îlot et caractérisé par le fait qu'il comprend un système téleseopique comportant au moins 5 deux éléments mobiles l'un par rapport à 19autre qui peuvent être disposés entre le navire et 1'installation de puits sous-marin, un mouvement relatif entre les éléments ayant pour effet de compenser les variations dans la distance antre le navire et l'installation, un câble flexible qui va du navire au puits et qui s'étend prati- 10 quement sur la longueur du système téleseopique, et un dispositif de rattrapage de câble monté sur le système téleseopique et pouvant coopérer avec 1® câble flexible de masière à rattraper tout mou produit dans celui-ci par 1.S mouvement relatif entre les éléments» 2) Un appareil selon la revendication 1, caractérisé par 15 le fait qu'il comprend des Hi&enis d'amortissement associés fone— tionnellement au système téleseopique pour amortir les efforts qui lui sont appliqués» 3) Un appareil selon la revendication 19 caractérisé par 1s fait que le dispositif â® rattrapage coMpreaâ use poulie montée 20 sur au moins un des éléments mobiles relativement, au moins une portion du câble flexible étant maintenu en contact avec la poulie pendant le mouvement relatif entre le3 éléments» 4) Un appareil selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le système téleseopique comprend an premier élément 25 tubulaire et un deuxième élément tubulaire, le premier pouvant se mouvoir relativement à l'intérieur du deuxième. 5) Un appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il comprend un guide dirigé axialement et porté par l'un des éléments tabulaires, qu'une première poulie coopère avec le 30 guide et peut se mouvoir relativement à celui-ci et qu'une deuxième poulie est montée de manière à pouvoir tourner sur un axe monté fixe sur l'élément tubulaire qui porte le gaide» de sorte que la distance entre les poulies augmente à mesure que la distance entre le navire et l'installation sous-marine diminue. 35 b) Un appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le guide comprend une fente dirigée longitudinalement prévue dans la paroi du deuxième élément tubulaire. bad origine