Brevet FR2262158A1 — publié le 19750919

La présente invention concerne les structures submersibles qui sont fixes au fond de la mer en état d'utilisation. On peut citer comme exemples essentiels d'application de l'invention, les plates-formes pour forage de puits de pétrole, les citernes de stockage de pétrole et les combinaisons de ces plates-formes et citernes. Les structures de ce type général destinées à etre utilisées en pleine mer doivent résister au basculement et au déplacement sous l'action de la force considérable des vagues, et il est de pratique courante d'ancrer rigidement ces structures au fond de la mer dans des fondations en béton ou sur des pieux battus dans le sol de fond. On peut encore munir ces structures d'un lest élevé dont l'effet s'ajoute à l'effort d'implantation que constitue le poids de la structure et de son contenu, diminué de la poussée, la structure ainsi implantée reposant librement sur le fond de la mer, sans aucun organe dtancrage quel qu'il soit. L'invention a donc pour objet une structure de ce genre général, spécialemement destinée å être implantée dans le lit de la mer, par exemple une couche de vase, sable ou argile. Selon l'invention, cette structure est munie a sa base dtélé- ments formant un socle étanche qui peut s renfoncer dans le lit de mer et qui constitue un ou plusieurs compartiments délimités 9 leur partie supérieure par la base de la structure et comporte des conduites servant å évacuer 1Seau de ce ou ces compartiments, cette structure étant caractérisée en ce que ces éléments formant le socle enferment la majeure partie de la surface de base de la structure et les conduites sont munies d'éléments servant a les obturer pour empêcher l'eau de revenir librement par ces conduites dans le ou les compartiments. On réalise avec ce montage un ancrage très sur de la structure au fond de la mer, en encastrant les éléments de socle dans 14 couche de lit, avec évacuation de l'eau contenue dans le ou les comparti- ments délimités au moyen des conduites. Lorsque la structure est en place et que les conduites sont obturées pour empêcher le retour de l'eau dans les compartiments, toute tendance de la structure b se soulever ou -d basculer, c'est--dire 8-pivoter sur un bord, engendre une réaction, ou force de rappel, du fait de la diminution de pression dans les compar timents du socle.Cette diminution de pression ne peut etre entravée que par les rentrées d'eau dans les compartiments å travers la couche du lit dans lequel est encastrée cette jupe, mais la perméabilité assez faible de cette couche ralentit la pénétration de l'eau, par l'inter- miliaire de cette couche, sous le socle, et sa remontée dans les compartiments. Si on étudie convenablement la jupe, en particulier sa profondeur et l'encombrement des compartiments dans le sens horizontal, de manière b l'adapter aux caractéristiques de la couche de lit, les réactions engendrées sont suffisantes pour empêcher la structure de basculer, même dans le cas de vagues et de vents violents. Le brevet britannique nO 1 088 804 décrit une structure munie, à sa base, de colonnes creuses espacées, raccordées b des éléments de pompage, situés su-dessus du niveau de la mer et servant d refouler I'eau de l'intérieur de ces colonnes au cours de la fixation de la structure au fond de I'eau. Toutefois, les organes de pompage ont, dans ce cas, pour effet d'ameublir le sous-sol sous l'effet d'une irruption d'eau qui permet aux colonnes de pdnEtrer facilement dans le sol, et de mettre à niveau la structure sur un sol en pente ; par conséquent, les colonnes ne peuvent pas délimiter des compartiments où la pression interstitielle est faible au-dessous de la majeure partie de la base de la structure, comme l'exige l'invention.A ce propos, il convient de remarquer que les colonnes ne comportent pas d'organes d.!obturation servant à empêcher le retour de l'eau dans l'intérieur de ces colonnes. Pour donner la plus grande valeur possible à la région effective au-dessus de laquelle agissent les forces de réaction, il est préférable que la structure comporte un socle continu occupant tout son pourtour. La région située à l'intérieur de cette jupe peut betre subdivisée par des cloisons intérieures, dont le rôle sera expliqué ci-après de façon détaillée. Les organes servant à obturer les conduites peuvent comprendre des soupapes de retenue intercalées à une certaine distance au-dessous du niveau de la mer et, de prdférence, à la base de la structure et, de plus, les conduites peuvent être branchées sur une ou plusieurs pompes servant à faciliter l'extraction de l'eau du ou des compar- piments du socle. Ces pompes, ou autres peuvent servir a refouler l'eau dans les compartiments afin de faciliter le décollement de la structure du fond de la mer, par exemple pour son enlèvement. La conduite peut déverser son contenu dans un réservoir situé au-dessous du niveau de la mer et maintenu 9 la pression at8osphe- rique, de façon à assurer une extraction continue ou intermittente d'eau dans les compartiments du socle, sans utilisation de pompes dans la conduite D'autres objets et avantages de l'invention ressor tiront de la description qui va suivre donnant, titre explicatif mais nullement limitatif, une forme préfdrée de réalisation, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique, en élévation avec une partie coupée, d'une structure submersible installée, conforme à l'invention - la figure 2 est une coupe, à échelle tres agrandie, de la partie A de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en plan de dessous, à échelle agrandie, de la structure de la figure 1. La structure représentée sur la figure 1 supporte une plate-fonme de forage et cf'emmagasinage, présentant.un corps principal 1, qui comporte une ou plusieurs parties resserrées, ou colonnes, 2 et une superstructure 3, située au-dessus du niveau L de la mer, servant, par exemple, de plate-forme pour des cabines d'habitation d'exécution du travail ou de portage d'hélicoptères. L'intérieur de ce corps principal l est avantageusement divisé par des cloisons intérieures (non représentées) en compartiments distincts de réservoir que l'on peut vider de leur contenu, ou au contraire lester les uns après les autres,de façon que la structure puisse, tour à tour, flotter horizontalement pour vitre remorquée vers l'empla- cement d'utilisation ou déplacée de ce dernier, et être lestée de façon réglable de manière que l'on puisse l'installer en position verticale. Une fois la structure installée, on peut refouler lteau qui la remplit d'huile brute que l'on veut emmagasiner ou réciproquement. Le corps principal 1 de cette structure a une section transversale circulaire, par exemple de 45 à 75 m de diamètre. La structure peut encore avoir une section transversale carrée ou polygonale, avec des côtés de longueur comprise entre 45 m et 75 m. La partie inférieure du corps principal est fermée par une plaque de base 4 en acier doux ; juste au-dessus de cette plaque, on pose du ballast ou lest 6, éventuellement de façon asymétrique en vue de lester davantage un ceté de la structure afin de la stabiliser à l'état flottant et,également, pour faciliter l'implantation de la structure de manière déterminée. Deux jeux, perpendiculaires entre eux, de chevrons parallèles 7 et 8, sont superposés et fixés sur la plaque de base, et une plaque de base inférieure 9 est fixée contre la surface inférieure des chevrons inférieurs 8. On remplit les interstices entre les chevrons avec du gravier ou tout autre matériau de filtrage, de préférence calibrés, de façon à constituer une zone filtrante entre les plaques 4 et 9. Un faisceau ll de conduites dirigées vers le puits pétrolifère traverse, de façon étanche,les deux plaques 4 et 9, et une ou plusieurs conduites 12, ou tuyaux d'épuisement d'eau, sont fixées de façon étanche dans des trous de la plaque de base 4 et communiquent avec la zone filtrante. Une jupe, ou socle, continue et imperméable 13 ayant à peu près 9 m de profondeur (sa profondeur est fonction de la nature de la couche de terrain à l'endroit choisi pour l'installation) entoure completement la base de la structure > cette jupe étant rigidifiée par des plaques intérieures et extérieures 14 et 15 de renforcement, disposées à intervalles réguliers. Cosse décrit dans la suite, les plaques extérieures de renforcement jouent également un rôle contre la dégradation du terrain. Une jupe cylindrique intérieure 16, rigidifiée également par des plaques 17, est fixée sur la plaque inférieure de base 9, et entoure la partie de cette plaque inférieure qui est traversee par le faisceau de conduites 11, cette plaque 9, par ailleurs, ne comportant pas de perforations b l'intérieur-de la jupe 16. La plaque est amie de perforations entre les deux jupes pour assurer la communication avec la zone filtrante. De plus, l'ensemble de la base de la structure peut comporter une série de cloisons intdrieures, indiquées en traits mixtes sur la figure 3,et mutuellement croisées de façon à former une grille carrée ou annulaire, et raccordes par leur extrémité à la jupe pFriphé- rique. Ces cloisons peuvent avoir une hauteur notablement plus faible que la jupe périphérique. Ces cloisons assurent a) leur renforcement mutuel pour résister aux forces horizontales itapor tantes que les grosses vagues exercent sur la structure ; b) la répartition des forces subies ; c) un obstacle à l'écoulement rapide au-dessous de la plaque de base de la boue formée par le lange du sous-sol et de l'eau ; d) par frottement, une résistance importante au déplacement vertical de la structure > servant ainsi de palplanches, en augmentant la sur face qui frotte contre le fond de l'eau ; et e) le maintien, en travers de la base, d'un gradient de pression opposé aux efforts provenant des vagues et du vent et qui auraient tendance à renverser la structure. Le tuyau d'épuisement de l'eau monte au-dessus du niveau de la mer et forme ainsi un échappement à l'air libre, ou bien constitue l'admission d'une pompe destinée à retirer l'eau de la zone filtrante et de la région comprise entre les jupes 13 et 14. Suivant une variante, le tuyau 12 peut déverser son contenu dans un ou plusieurs réservoirs 24 situes au-dessous du niveau de la mer et maintenus à la pression atmosphérique. Ces réservoirs 24 sont avantageusement munis d'une ou plusieurs pompes 26 servant à y maintenir le niveau de l'eau au-dessous d'une hauteur maximale donnée.Une telle disposition assure, entre la zone de la jupe et l'extrémité supérieure du tuyau 12, une perte de charge qui correspond à la hauteur d'eau entre le niveau de la mer et les réservoirs, diminuée des pertes par frottements, de sorte que l'eau peut se déverser, de façon continue ou intermittente, de la zone de la Jupe dans les reser- voirs 24, sans qu'il soit besoin d'insérer des pompes dans le tuyau 12. Les réservoirs sont disposés sur un pont 25 qui sert de déversoir en cas de défaillance de la pompe 26. Le tuyau comporte une soupape (non représentbe), qui peut consister en un simple clapet de retenue, disposée de préférence à proximité immédiate du fond de la structure et, en tout cas, au-dessous du niveau de la mer. La structure comporte égarement un tuyau 21 en forme de J pour le pétrole de la nappe sous-marine et des tuyaux 22 d'équilibrage de pression, ou des ouvertures 23, permettant de refouler du corps principal de la structure, l'eau qu'il renferme, au moyen du pétrole introduit par le dessus. Le fonctionnement de la structure selon l'invention est le suivant On fait flotter la structure que l'on remorque en position horizontale jusqu'à l'emplacement d'érection et on l'enfonce de façon réglée en remplissant I 'un apres l'autre les compartiments que comporte le corps principal. On fait venir d'abord la structure en posi tion verticale de flottaison et, en continuant de remplir les compartimentsJ on provoque son enfoncement vertical dans le sol sous-marin. Les jupes 13 et 16 pénètrent dans le sol sous-marin jusqu'à ce que la partie inférieure de la structure, ou plus exactement la plaque inférieure de base 9, repose sur le fond de l'eau, en occupant la position représentée sur la figure 1.Au cours de cette phase de pénétration, l'eau que contiennent les jupes est refoulée à travers la zone filtrante et par le ou les tuyaux d'épuisement 12, ce qui permet aux jupes de pénétrer complètement dans le sol sous-marin jusqu'à ce que la base de la structure soit bien appliquée contre le fond de l'eau. On peut faciliter, ou tout au moins accélérer, la péne- tration de la structure et la reconsolidation du sol sous-marin qui a té dérangé, à l'aide d'une pompe branchée sur les tuyaux d'épuisement d'eau, la faible pression ainsi engendrée au-dessous de la base fournissant une force complémentaire d'enfoncement qui agit sur la structure. Au cours de ce stade opératoire, on règle avec soin l'écoulement de l'eau d'épuisement pour empêcher une érosion sous la jupe. La structure étant installée,étant suppose que la poupe mentionnée ci-dessus soit arrêtée et que la soupape que contient le tuyau 12 soit fermée, la structure repose sur le fond de l'eau sous l'effet de son propre poids net. La resistance que la structure oppose aux forces de relevage ou de renversement se trouve augmentée du fait que la jupe 13 constitue, jusqu'à une profondeur de 9 m, une barrière qui empêche l'eau et de la terre molle d'y pénatrer brusquement, de sorte que le passage d'une vague n'engendre qu'une faible pression au-dessous de la base, augmentant ainsi considérablement la force d'enfoncement de la structure. Cette faible pression ne pourrait être équilibrée que par infiltrations d'eau sur une profondeur de 18 m de sous-sol, sous-sol dont la faible perméabilité ne permet qu'un écoulement d'eau négligeable pendant une demi-période de la vague. Pour expliquer ce fait de façon plus détaillée, on supposera que la structure repose sur le fond de la mer, par exemple à une profondeur de 120 m dans la mer du Nord. Le fond de la mer est soumis à une pression hydrostatique égale au poids de l'eau qui le recouvre, à savoir, à 120 m-de profondeur, une pression de l'ordre de 12 kg/cm Au cours de la tempête théorique statistique, lorsque la hauteur des vagues atteint environ 30 m, la pres sion au-dessous de la base augmente d'un côté de la structure et diminue de l'autre cati, un gradient de pression étant entretenu par les cloisons intérieures indiquées plus haut. La vitesse à laquelle ces fluctuations se produisent est égale å la période de la vague, à savoir 16 s d'un maximum à un autre, en passant par un minimum. De la sorte, et à condition que la jupe ait une profondeur suffisant aux caractéristiques du sol sous-marin, la vitesse à laquelle l'eau peut pénétrer dans le compartiment de la jupe est trop faible pour modifier la diminution et l'augmentation de pression au-dessous de la base, pendant la période au cours de laquelle agissent les forces qui ont tendance à faire basculer la-structure. Les forces exercées par la vague changent de sens, et la faible oscillation que subit la structure peut provoquer un effet de pompage qui a tendance à refouler l'eau du compartiment de jupe et de la zone filtrante gracie aux clapets de retenue indiqués plus haut.Autrement dit, Si on prévoit des tuyaux 12 d'épuisement d'eau en divers points répartis au-dessus de la base et dont chacun comporte son propre clapet de retenue, l'eau est refoulée localement de celui des côtés de la structure qui subit une augmentation momentanée de pression, le clapet empêchant les retours d'eau lorsque les forces changent de sens et que ce coté de la structure a tendance à se soulever. Pour citera titre purement indicatif, des valeurs de forces d'enfoncement et de rappel qui peuvent etre ainsi engendrées, on considérera une structure dont la base a une surface de l'ordre dé 2 m2, dont l'ensemble est muni d'une jupe enfoncée à une profondeur m de 9 m dans le lit de la mer du Nord. Une diminution de la pression de 70 g/cm au-dessous de la base augmente la force d'enfoncement d'une quantité qui équivaut à l'adjonction d'environ 4000 t de ballast, ou lest, et provoque une augmentation correspondante de contralnte du sous-sol ; et une force de renversement d'environ 40000 t, agissant à environ 60 m au-dessus du fond-de l'eau, engendre un couple de rappel supérieur & 2X5 millions de tonnemètre. Si le ou les tuyaux 12 d'épuisement dteau aboutissent à un réservoir 24 situé à une distance bien définie au-dessous du niveau moyen de la mer et Si on donne à ce réservoir des dimensions convenables, compte tenu de la perméabilIté du sol sous-marin, on peut maintenir une différence de pression de part et d'autre de la base de la structure pendant toute la durée d'une grosse tempête, mème à supposer que la ou les pompes 26 soient défaillantes. Si, comme signalé plus haut, on prévoit une pompe pour refouler l'eau du ou des tuyaux 12 d'épuisement, cette pompe peut, si on veut, être actionnée de façon continue ou intermittente pour chasser toute quantité d'eau qui peut se trouver dans la jupe 13 et maintenir ainsi une faible pression différentielle sous la base, pression qui s'ajoute aux forces d'enfoncement agissant sur la structure. Bien entendu, la jupe 13 deviendrait inefficace si des courants sous-marins étaient capables de chasser la couche de sable et de vase qui est appliquée contre l'extérieur de la jupe encastrée et, à ce propos, les organes extérieurs de renforcement 15 ont, entre autres rôles, celui de dévier de tels courants sous-marins et de les empêcher ainsi de ddplacer le sable et la vase. il reste à expliquer le rôle de la jupe intérieure 16. Au moment où on effectue un forage, un ou plusieurs des tuyaux 11 dirigés vers la nappe pétrolifère se remplissent de boue de colmatage et si, dans-ces conditions, la structure vient à subir une grande force susceptible de la renverser, cette boue risque de s'introduire dans l'espace formé sous la base et d'empêcher la formation d'une faible pression. Dans de telles conditions, la jupe 16 empêche la boue d'atteindre l'espace compris entre les deux jupes, de sorte que la faible pression continue de régner au-dessus de la partie voulue de la base. REVENDICATIONS 1. Structure submersible destinée à être enfoncée dans un lit de fond d'étendue d'eau, cette structure présentant à sa base des éléments formant une jupe imperméable qui peut s'enfoncer dans la couche de terrain et qui renferme un ou plusieurs compartiments délimités à la partie supérieure par la base de la structure, et des conduites servant à refouler l'eau de ce ou ces compartiments, cette structure étant caractérisée en ce que ces jupes enferment la majeure partie de la surface de base de la structure et qu'une conduite est munie d'éléments d'obturation empêchant l'eau de revenir librement dans le ou les compartiments de jupe, par cette conduite. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pourtour de sa base est entouré par une jupe qui est continue. 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que le compartiment délimite par la jupe continue est - subdivisé par des cloisons intérieures. 4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 > caractérisée en ce qu'elle comporte une jupe intérieure sepa rant l'intérieur dudit compartiment d'une partie de la base traversée par un ou plusieurs tuyaux destinés communiquer au puits de pétrole. 5. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'unie masse de matière filtrante est disposée dans une zone filtrante dont les dimensions correspondent à celle du ou des compartisents de la jupe et qui est située immédiatement au-dessus de ces oipartiments. 6. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractériséeen ce que ladite conduite est munie d'un clapet de retenue qui permet à I'eau d'dchapper du ou des compartiments de la jupe mais qui ltempeche d'y revenir librement. 7. Structure selon la revendication 6, caractérisée en ce que la conduite déverse son contenu dans un réservoir qui se trouve au-dessous du niveau de la mer en cours d'utilisation de la structure, et qui est maintenu à la pressionatmosphérique. 8. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'une ou plusieurs pompes peuvent envoyer un fluide sous pression dans le ou les compartiments de la jupe, afin de faciliter le dégagement de la structure hors du fond.