Brevet FR2354918A1 — publié le 19780113

L'invention est relative à un ensemble de construction flottant sur une masse d'eau et, plus particulièrement, à un tel ensemble à partir duquel on peut entreprendre des opérations de forage ou dtexploitation de puits sous-marins. Selon ses aspects plus particuliers l'invention porte sur un ensemble de construction flottant comportant des moyens flottants, pour supporter cetensemble, qui sont ancrés au fond de l'océan au moyen d'éléments allongés parallèles. eette invention est due à BEYNET P.A. et DIXON D.A Ces dernières années, on s'est beaucoup intéressé au forage et à 11 exploitation de puits sous-marins. De tels puits peuvent être forés dans le fond de l'océan soit à partir de plateformes fixes en eau relativement peu profonde, soit à partir d'ensembles de construction flottants ou de bâtiments flottants en eau profonde. le moyen le plus usuel pour ancrer des plate-fcrmes fixes consiste à enfoncer ou à ancrer de toute autre manière approprié de longs pieux dans le fond de ltocéaa. De tel-pieux s'étendent au-dessus de la surface de l'eau et supportent une plate-forme qui est fixée à la partie supérieure de ceux-ci. Cette opération s'effectue très bien en eau peu profonde, mais lorsque la profondeur de l'eau augmente, les problèmes de construction et les frais correspondants deviennent prohibitifs. En eau profonde il est de pratique courante d'effectuer les forages à partir d'un ensemble de construction flottant. Ces dernières années on s'est intéressé à un certain nombre de genres différents d'ensembles de construction flottants à partir desquels on peut forér des puits sous-marins. Un tel ensemble appelé "Plate-forme amarrée verticalement" (Vertically moored platform) est décrit dans le brevet U.S. n 3 648 638. Dans cette plate-forme, un ensemble de construction est supporté au-dessus de la surface de l'eau par des éléments flottants. Ces éléments flottants sont reliés à des ancrages, situés dans le fond de la masse d'eau,- par des éléments allongés en forme de jambes, qui sont disposés parallèlement. Cette plate-forme ne dispose pas d'autres moyens d'ancrage. L'invention a pour objet un procédé et un appareillage pour ancrer un ensemble de construction flottant à ;L'air libre en; un emplacement sélectionné d'une masse d'eau, où les vagues et les courants ont des caractéristiques importantes. Des moyens inférieurs d'ancrage sont prévus au fond de la masse d'eau en cet emplacement sélectionná, Ensuite un certain nombre de jambes parallèles, situées à une certaine distance l'une de l'autre, relient l'ensemble de construction, flottant à l'air libre, aux moyens inférieurs d'ancrage. Chacune de ces jambes comporte un certain nombre éléments allongés parallèles, habituellement appelés montants, sollicités à la traction.Un certain nombre de moyens d'espacement ou centralisateurs sont prévus, à des intervalles d'espacement vertical, dans divers buts, parmi lesquels: 1) le maintien des éléments allongés en position fixe l'un par rapport à l'autre, aux niveaux où sont prévus ces moyens d'espacement et 2) la nécessité de donner aux montants une fréquence propre différente de leur fréquence de vibration d'origine hydrodynamique (tourbillons de sillage).Les intervalles entre les moyens d'espacement sont choisis de telle manière que la fréquence propre ou de résonance de chacun des tronçons de montants, compris entre les moyens d'espacement, soit supérieure à la fréquence de vibration d'origine hydrodynamique escomptée du tronçon correspondant. Gracie à cette disposition conforme à l'invention, les montants sont empêchés de s'endommager l'un l'autre et la probabilité de défauts de fatigue dans les montants, dus à des effets de résonance induits par les vibrations d'origine hydrodynamique, est réduite. L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide de certains de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue d'un ensemble de-construction flottant équipé conformément à l'invention et - la figure 2 est une vue en perspective, à plus grande échelle, de moyens d'espacement utilisés dans le dispositif de la figure 1. On distingue sur la figure 1 un bâtiment 10 supporté par une masse d'eau 18, présentant un fond 16. L'ensemble de construction 10 comporte, d'une manière générale, des moyens flotteurs 14 qui supportent un pont de travail 12 au-dessus de la surface 26 de la masse d'eau. Des moyens d'ancrage 28 sont fixés au fond de l'eau 16 de n'importe quelle manière appropriée. A ces moyens d'ancrage 28 les éléments flottants 14 sont reliés uniquement par des jambes verticales 20. Il s'agit donc d'une plate-forme ancrée verticalementtelle que celle décrite dans le brevet améticain précité. Chaque jambe 20 est formée d'un certain nombre d'éléments allongés ou montants tubulaires 22. Ces montants tubulaires sont normalement réalisés- en acier de haute qualité et, d'une manière caractéristique, présentent un diamètre de 508 mm. Chaque jambe 20 est constituée par un groupe ou faisceau d'un certain nombre de montants tubulaires 22 qui, d'une maniere caractéristique, varie de quatre à huit, selon les conditions envisagées, et vont de l'élément flottant 14 correspondant à l'ancrage 28. Ces montants tubulaires 22 sont parallèles et sont sollicités à la traction. Des longueurs caractéristiques de tels montants tubulaires, de la partie inférieure de l'élément flottant 14 de la plate-forme ancrée verticalement, au fond 16 de la mer, vontde 1500 mètres jusqu a plusieurs milliers de mètres. La plate-forme ancrée verticalement est soumise à un mouvement horizontal sous l'action des vagues, du vent et des courants. On peut s'attendre à des mouvements importants, pouvant atteindre de 15 à 50 mètres, des montants--par rapport à l'eau. Des moyens centralisateurs ou d'espacement 24 sont prévus suivant la longueur de chaque jambe 20. Ces dispositifs d'espacement ont deux buts. Le premier est de maintenir à tout moment parallèlement et à une certaine distance l'un de ltautre les divers montants tubulaires sollicités à la traction, de manière à empêcher ces montants de s'endommager l'un llautre. Comme on l'expliquera plus en détail, ces dispositifs centralisateurs 24 sont espacés vertical lement selon des intervalles prédéterminés, de telle manière que, sous l'influence des vagues et des courants les déplacements relatifs des divers montants 22 d'une meme jambe 20 soient insuffisants pour qu'un montant en endommage un autre. Bye second but de ces dispositifs d'espacemènt 24 est d'obliger les divers montants 22 sollicités à la traction à avoir une fréquence propre fondamentale de vibration latérale qui soit supérieure à la fréquence maximale escomptée des vibrations dues à la formation et à l'émission de tourbillons de sillage. On va décrire plus en détail le dispositif d'espacement représenté sur la figure 2 et expliquer comment est obtenu l'espacement correct en vue d'empêcher les les ddgats qui se produiraient si les montants s'entrechoquaient et aussi les dégâts qui pourraient se produire par effet de fatique si la fréquence de résonance des montants pris isolément était inférieure à la fréquence de succession des tourbillons formés au contact des montants. Sur la figure 2, qui représente en détail un des dispositifs d'espacement de la figure 1, on distingue un certain nombre de segments en forme de douilles 30. Ces segments 30 s'adaptent autour des divers montants tubulaires 22, de la manière indiquée en trait interrompu en 22A pour l'un des segments 30.Chaque segment en forme de douille 30 est fixé au montant 22 correspondant par des moyens mécaniques appropriés. Les divers segments 30 sont entretoisés l'un par rapport à l'autre par des entretoises 34 et par des entretoises radiales S6. D'une manière caractéristique, les segments en forme de douilles 30 ont un diamètre intérieur à peu près égal au diamètre extérieur des montants tubulaires, qui est d'environ 508 mm, et leur dimension longitudinale est d'environ 90 à 120 mm . Les entretoises 34 et 36 sont constituées,d'une manière caractéristique, par des poutrelles profilées en I ou en T et sont conçues de manière à accrotre l'effet de tratnée ou de sillage de ensemble du système constitué par la jambe.Les montants ainsi centralisés peuvent vibrer d'un seul bloc sous l'action des vibrations d'origine hydrodynamiques. Pour dissiper cette énergie de vibration hydrodynamique, les dispositifs d'espacement sont conçus de manière à présenter une forte tramée. Ce résultat est obtenu en utilisant des petits éléments inclinés sous un certain angle, comme on le voit sur la figure 2, et/ou en montant des plaques ou des écrans perforés sur le dispositif centralisateur. Un effet secondaire avantageux de cette augmentation de tramée est d'augmenter l'amortissement des mouvements de la plate-forme. On va considérer maintenant en détail le choix de 1'espacement vertical des dispositifs centralisateurs ou d'espacement. Ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus, une fonction des dispositifs centralisateurs est de maintenir écartés ltun de l'autre les divers montants de chaque jambe, de telle manière que lorsque le mouvement des vagues tend à produire une flexion des montants tubulaires l'espacement assuré par le dispositif centralisateur doit entre juste suffisant pour que les montants tubulaires ne se heurtent pas l'un l'autre, ce qui les détériorerait. Ce résultat peut entre obtenu en faisant appel à la simple théorie des poutres. Par exemple un ingénieur de construction peut utiliser la théorie des poutres pnur déterminer la déformation d'un montant entre deux points d'appui, c'est-à-dire ici entre deux éléments d'espacement tels que celui représenté sur la figure 2. Les dispositifs d'espacement 24 sont suffisamment espacés l'un de l'autre au voisinage de la verticale pour que l'espacement latéral des montants soit supérieur à la déformation de flexion relative, fournie par le calcul, des montants. Une antre condition est que la déformation maximale de deux montants, sans déformation permanente,soit telle qu'ils ne puissent venir au contact ltun de l'autre. On va considérer ci-après le choix de l'espacement des dispositifs centralisateurs pour régler la fréquence propre du montant à une valeur supérieure à la fréquence maximale des vibrations d'origine hydrodynamique produites par la formation et 1' émission de tourbillons de Von gagman, Dans un certain nombre de cas, sous l'action du mouvement relatif entre les montants tubulaires sollicités à la traction et liteau environnante, il se produit une vibration latérale des montants tubulaires due à l'rémission de tourbillons précités. Les fréquences de ces émissions de tourbillons se fixent normalement à la valeur de la fréquence propre la plus proche de la vibration latérale du montant sollicité à la traction.Dans ce cas, la vibration d'origine hydrodynamique produit un mouvement latéral de résonance du montant sollicité à la traction, qui, à son tour, donne lieu à des contraintes périodiques intenses du montant et, par conséquent, rades défauts de fatigue. L'invention cherche à éviter cet inconvénient. La théorie classique des vibrations d'origine hydrodynamique montre que la fréquence de ces vibrations est proportionnelle à la vitesse relative des particules d'eau. Par conséquent il faut mettre en oeuvre des vitesses relatives de particules d'eau relativement élevées pour produire des vibrations d'origine hydrodynamique de fréquences élevées. Lt invention cherche donc à réaliser un montant tubulaire, sollicité à la traction, de telle manière que la vitesse relative nécessaire pour établir la formation et l'émission de tourbillons à la fréquence propre minimale du montant tubulaire soit suffisamment élevée pour qu'elle ne puisse se reneontrer dans les conditions normalement prévues.Autrement dit l'invention prévoit de réaliser le montant tubulaire, pour un emplacement sélectionné, de telle manière que la fréquence propre de résonance FN du montant tubulaire soit supérieure à la fréquence FF des vibrations d'origine hydrodynamique. Pour déterminer FF et FN, on procèdera de la manière suivante. Pour déterminer FF on part de 1' équation (1) universellement admise FF = 0,22 V/D (t) dans laquelle - V est la vitesse relative du montant et de l'eau et - D est le diamètre du montant. Puis on effectuera les opérations suivantes a) calcul de la vitesse relative maximale en chaque point d'un tronçon de montant, b) calcul de la fréquence maximale de vibration d'origine hydrodynamique en chaque point du tronçon de montant, c) choix d'un emplacement de dispositif d'espacement tel que la fréquence propre du tronçon de montant considéré soit supérieure à la fréquence maximale de vibration maximale d'origine hydrodynamique en cet emplacement. En ce qui concerne l'opération a), par exemple, si la vitesse relative maximale de 1' eau par rapport au montant est donnée par l'équation 2) Vmax (x) = a. x (2) dans laquelle - x est la distance d'un point particulier du montant tubulaire à la partie inférieure de ce montant, et - a est une constante, le maximum de FF est alors donné par l'équation 3) FF (x) = 0,22 a.x / D ( 3) En supposant que la fréquence FN du tronçon considéré du montant tubulaire, entre dispositifs centralisateurs ou d'espacements, soit donnée par l'équation 4) Fun = c / 2 1 (4) dans laquelle - 1 est la longueur de ce tronçon, c'est-à-dire la distance entre dispositifs d'espacement,et - c est une constante qui est la vitesse-de propagation des ondes dans le montant, on peut développer cette équation, à l'aide d'une équation fondamentale 5) citée à la page 58 de 11 ouvrage intitulé "Engineering Vibrations" de Jacobsen et Ayre (Mc Graw Hill Book Company, New York 1958) dans laquelle : - Pn est la pulsation propre (= 2 #FN), - T est la tension exercée sur le montant, - g est l'accélération due à la pesanteur, - W est la masse par unité de longueur du montant. Si on pose qui est la vitesse de propagation des ondes dans le montant, en éliminant Pn, on obtient l'équation 7) nc (7) FN = 2 L L étant la longueur totale du montant qui est égale à n.l (n-1 étant le nombre de dispositifs d'espacement ou centralisateurs), ou : FN = c I 2 1 (8) Pour déterminer l, il faudra donc écrire que FN) b (9) soit, en tenant compte des équations (8) et (3), c/2.1 > 0,22 a.x / D (10) inégalité de laquelle on tire 1 0,44.a.x On choisira donc 1 de telle manière que c.D 1 a = L # P # 2 (13) P étant la période maximale escomptée pour les vagues, et H étant la hauteur maximale escomptée pour celles-ci. La considération principale pour le choix, conformément à l'invention, de l'intervalle vertical entre dispositifs d'espacés ment est la détermination d'un intervalle qui élimine les vibrations d'origine hydrodynamiques, c'est-à-dire tel que FN soit supérieur à fez Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, ayant été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour ancrer un ensemble de construction flottant à l'air libre, en un emplacement déterminé d'une masse d'eau dont les caractéristiques de vagues et de courants sont inférieures à des valeurs maximales prévues, caractérisé en ce qu'il consiste - à prévoir des moyens inférieurs d'ancrage au fond de la masse d'eau, - à prévoir un certain nombre de jambes, parallèles et situées à une certaine distance l'une de l'autre, reliant, en assurant son ancrage, l'ensemble de construction flottant à l'air libre aux moyens inférieurs-d'ancrage, chacune de ces jambes comprenant un certain nombre d'éléments d'ancrage (montants) allonges, creux, disposés parallèlement et sollicités chacun à la traction, et - à prévoir, selon des intervalles d'espacement vertical, un certain nombre de moyens d'espacement destinés à tenir les éléments d'ancrage en des positions d'écartement mutuel fixes, longitudinalement et lateralement, aux niveaux où sont prévus ces moyens d'espacement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre - à déterminer la fréquence des vibrations d'origine hydrodynamiques des divers éléments allongés - à déterminer l'espacement vertical des moyens d'espacement de telle manière que la fréquence FN de chacun des divers tronçons verticaux compris entre les moyens d'espacement soit supérieure à la fréquence des vibrations d'origine hydrodynamique du tronçon vertical considéré et - à disposer les moyens d'espacement en fonction de cette détermination. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à choisir l'espacement vertical 1 entre deux moyens d'espacement avoisinants de telle manière que 1 0,5a.x formule dans laquelle - D est le diamètre de l'élément allongé, - c est la vitesse de propagation des ondes dans cet élément, - x est la distance au fond de la masse d'eau,et - a est une grandeur donnée par la formule : #.H a = 2.L.P dans laquelle : - P est la période des vagues, - H est la hauteur des vagues,et - L est la longueur des jambes ou des éléments d'ancrage allongés. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir des moyens augmentant la traînée (sillage) sur les moyens d'espacement de manière à augmenter la trnée latérale de ceux-ci dans liteau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre - à déterminer l'espacement vertical des moyens d'espacement de telle manière que la déformation de flexion maximale d'un élément allongé entre deux moyens d'espacement soit inférieure à l'espacement latéral de ces éléments , et - à disposer les moyens d'espacement en fonction de cette détermination. 6. Ensemble de construction flottant à l'air libre sur une masse d'eau, caractérisé en ce qu'il comporte : - une plate-forme, - des moyens flottants pour supporter cette plate-forme, - des moyens inférieurs d'ancrage, - un certain nombre de jambes parallèles reliant, en assurant leur ancrage, les moyens flottants aux moyens inférieurs d'ancrage chacune de ces jambes comportant un certain nombre d'éléments d'ancrage (montants), allongés, disposés parallelement et sollicités à la traction, et - un certain nombre d'éléments d'espacement, disposés selon un certain espacement vertical, le long de chaque jambe, tenant les éléments d'ancrage allongés de cette jambe en des positions d'écartement mutuel fixes, longitudinalement et latéralement, aux niveaux où sont prévus ces moyens d'espacement. 7. Ensemble de construction selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il satisfait en outre à l'une quelconque des revendications 2 à 5.