Brevet FR2323576A1 — publié le 19770408

L'invention se rapporte au positionnement dynamique des bateaux de forage ou des plates-formes de forage flottantes ou semi-submersibles et plus particulièrement à des dispositifs de propulsion pour un tel positionnement. Les bateaux et plates-formes utilisés pour les forages en mer sont généralement maintenus sur 11 emplacement du forage par des câbles d'amarrage. Toutefois, pour des profondeurs d'eau importantes, au-dessus de quelques centaines de mètres, il devient difficile, voire impossible, d'utiliser des câbles comme seul système de maintien et l'on fait appel alors à des techniques de positionnement dynamique. Suivant ces techniques, l'engin de forage est maintenu en permanence dans une zone située à la verticale de la tête de puits par des dispositifs de propulsion commandés par un ordinateur qui reçoit diverses informations sur la position de l'engin et les conditions d'environnement comme par exemple les vitesses et les directions respectives du vent et des courants Divers dispositifs de propulsion peuvent être utilisés et en particulier des hélices classiques à pales orientables entratnées à vitesse constante, par exemple par des moteurs électriques synchronisés à courant alternatif.Un tel dispositif est en effet une des solutions les moins coûteuses de propulseurs à poussée variable. Les dispositifs de propulsion, tant au point de vue dimensions des hélices que puissance des moteurs sont prévus pour exercer une poussée maximale susceptible de maintenir en place l'engin de forage dans des conditions météorologiques extrêmement sévères. Malheureusement, par temps calme, ces hélices de grandes dimensions ont un très mauvais rendement. En d'autres termes, si le vent et les courants sont faibles, ce qui se produit la majeure partie du temps, ces hélices n'exercent qu'une poussée réduite pour maintenir en place l'engin de forage mais consomment quand mEme une quantité importante d'énergie simplement pour tourner dans l'eau à leur vitesse nominale. L'objet de l'invention concerne un procédé de positionnement dynamique ayant de bonnes performances dans des conditions météorologiques sévères tout en permettant une consommation d'énergie réduite par temps calme. L'objet de l'invention concerne également des dispositifs de propulsion aptes à exercer des poussées importantes par mauvais temps et consomment toutefois peu d'énergie pour maintenir en place l'engin de forage par temps calme. Selon l'invention, un procédé de positionnement dynamique d'un engin de forage tel qu'un bateau ou une plate-forme flottante ou semi-submersible du genre dans lequel on maintient l'engin de forage dans une zone donnée au moyen de dispositifs de propulsion comprenant au moins une hélice à pales orientables entratnée à une vitesse déterminée, est caractérisé en ce que l'on entrain ladite hélice à une première vitesse lorsque la puissance consommée par ladite hélice est comprise dans une plage supérieure de puissances et l'on entrain ladite hélice à une deuxième vitesse sensiblement inférieure à la première lorsque la puissance consommée est comprise dans une plage inférieure de puissances.On peut en outre déterminer deux plages partielles dans la plage supérieure de puissances et entratner alternativement soit une seule hélice dans la plage partielle la moins élevée- soit deux hélices à pales orientables dans la plage partielle la plus élevée. Selon l'invention, un dispositif de propulsion pour le positionnement dynamique d'un bateau de forage ou d'une plate-forme de forage, du genre comprenant au moins une hélice à pales orientables, adaptée à fournir une poussée variable en fonction de l'orientation des pales et un moteur pour entra mer l'hélice à une certaine vitesse nominale, comprend de plus des moyens pour entratner l'hélice à une vitesse réduite sensiblement inférieure à la vitesse nominale, et des moyens de sélection pour commander l'entratnement de l'hélice soit à la vitesse nominale soit à la vitesse réduite.Les moyens de sélection sont commandés en fonction de la puissance consommée de façon à faire tourner l'hélice à vitesse nominale lorsque cette puissance consommée est comprise dans une plage supérieure de puissances et à vitesse réduite lorsque cette puissance consommée est comprise dans une plage inférieure de puissances. Le dispositif de propulsion comprend en outre une deuxième hélice à pales orientables entratnée à vitesse constante et disposée parallèlement à la première hélice. Les moyens de sélection peuvent être adaptés à commander l'entrainement de la première hélice seule pour une partie basse de la plage supérieure de puissances et les deux hélices pour une partie haute de cette plage. De préférence les moyens d'entratnement à vitesse réduite comprennent un moteur électrique et les moyens de sélection comprennent un dispositif de commutation pour alimenter sélectivement les différents moteurs. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs mieux de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en références aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une plate-forme semi-submersible équipée d'un système de positionnement dynamique et de dispositifs de propulsion selon l'invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale de la partie arrière d'un flotteur de la plate-forme de la figure 1 représentant plus en détail un dispositif de propulsion selon l'invention, - la figure 3 est une vue de dessus en coupe dlune partie du flotteur représentée sur la figure 2 et - la figure 4 est un graphique représentant la puissance consommée par le dispositif selon l'invention pour différentes valeurs de poussée. La figure 1 représente en position de forage une plate-forme semisubmersible 10 du type catamaran. La plate-forme 10 comprend deux flotteurs allongés Il et 12 en forme de bateau disposés parallèlement à une certaine distance l'un de l'autre et reliés par des piles 13 à un tablier supérieur rectangulaire 14. Des entretoises horizontales 15 et obliques 16 assurent la rigidité de l'ensemble. Le tablier 14 porte une tour de forage 17 de type classique. Sur le fond de la mer une tête de puits 20 équipée de divers dispositifs anti-éruption 21 se prolonge vers le haut par une colonne montante 22 fixée à son sommet à la plate-forme par un dispositif à tension constante (non représenté). La plate-forme 10 est maintenue à la verticale de la tête de puits 20 par un système de positionnement dynamique comprenant notamment un dispositif de détection de position fournissant des informations à un ordinateur qui commande des dispositifs de propulsion, lesquels stopposent au vent et au courant pour maintenir en permanence la plate-forme à la verticale de la tête de puits 20. Le dispositif de détection de position comprend, par exemple, des émetteurs acoustiques, tels que 23, placés sur la tête de puits et des détecteurs acoustiques ou hydrophones 85 placés sous les flotteurs 11 et 12. Les dispositifs de propulsion sont constitués par exemple par quatre hélices 24 situées à l'arrière des flotteurs, quatre propulseurs orientables 25 situés au-dessus des flotteurs et deux propulseurs d'étrave 26. En général les propulseurs orientables ont pour fonction d'orienter l'unité dans une direction face aux effets dominants de vents et de courants et de compenser les effets transversaux secondaires, la poussée principale le long de cette direction étant assurée par les hélices arrière 24. L'un des dispositifs de propulsion arrière 24 est représenté plus en détail sur les figures 2 et 3. La figure 2 est une vue de côté du flotteur 12 dans lequel le panneau longitudinal droit est supposé enlevé. La figure 3 est une vue de dessus de la moitié du flotteur 12 dans lequel le panneau supérieur est supposé enlevé. Chaque flotteur est divisé en compartiments étanches utilisés principalement comme ballasts ou comme réservoirs d'eau ou de carburant. Un tunnel longitudinal permet l'accès depuis les piles aux différents compartiments. A l'arrière de chaque flotteur, comme par exemple le flotteur 12, se trouve un compartiment 30 servant de ballast et un compartiment 31 dans lequel sont disposés les moteurs d'entraînement de deux hélices 24. Sous le compartiment 30 du flotteur sont fixés par des supports 32, 33 et 34, une tuyère 35 et un palier 36 pour l'hélice 24.L'hélice 24 comprend un corps 37 et des pales orientables 40 dont l'inclinaison est commandée par un dispositif hydraulique disposé dans le corps d'hélice 37. Le corps 37 est fixé à un arbre 41 monté tournant dans le palier 36 et dans un autre palier 42 fixé au flotteur 12 et équipé d'un presse-étoupe classique de façon à assurer à l'arbre 41 une traversée étanche entre l'intérieur et l'extérieur du compartiment 31. A l'intérieur du compartiment 31, l'arbre 41 se prolonge par une botte d'introduction de fluide hydraulique 43 reliée par des conduites 44 à une centrale hydraulique 45. La centrale hydraulique 45, formée de pompes entraînées par des moteurs électriques, est équipée de vannes de façon à envoyer sélectivement dans l'une des conduites 44 de l'huile sous pression. La botte 43 comprend un rotor solidaire de l'arbre 41 et un stator qui fait communiquer les conduites 44 avec des passages ménagés dans l'arbre 41 lorsque ce dernier est en rotation. La centrale hydraulique 45 permet ainsi d'envoyer de l'huile sous pression au dispositif hydraulique de commande d'orientation des pales 40 de façon à donneur à ces dernières l'angle désiré. Le rotor de la boîte 43 est relié à la sortie d'un réducteur 46 ayant deux entrées principales 50 et 51 et une entrée secondaire 52. Les entrées 50 et 51 sont respectivement reliées à deux moteurs électriques 53 et 54 à courant alternatif. Chacun de ces moteurs est par exemple du type asynchrone synchronisé de façon à entraîner l'hélice 24 à une vitesse nominale prédéterminée. Lorsque les deux moteurs sont alimentés en courant, leurs puissances s'ajoutent pour entraîner l'hélice. L'entrée secondaire 52 est reliée à un moteur électrique 55 à courant alternatif de puissance plus faible que celle des moteurs 53 et 54 et adapté à tourner à une vitesse sensiblement inférieure, par exemple égale à environ la moitié de celle des moteurs 53 et 54. D'autres équipements sont installés dans le compartiment 31 comme par exemple un refroidisseur d'huile 56 pour la centrale hydraulique 45, des refroidisseurs à air 5r et 58 pour les moteurs électriques et un refroidisseur d'huile 60 pour le réducteur 46. Ces refroidisseurs 56 - 60 sont traversés par un courant d'eau de mer débité par des pompes 61 à 64. Plusieurs réservoirs d'huile tels que 65 et 66 sont aussi disposés dans le compartiment 31. Sur la figure 3 on a représenté seulement la moitié du compartiment 31. La deuxième moitié de ce compartiment est sensiblement équipée de la même façon que la première avec une deuxième hélice à pas variable dont l'arbre est parallèle å celui de l'hélice 24. Cette deuxième hélice est connectée à la sortie d'un réducteur ayant deux entrées reliées à deux moteurs électriques à courant alternatif identiques aux moteurs 53 et 54. Toutefois, aucun moteur à puissance réduite n1 est installé dans la deuxième moitié du compartiment pour entratner la deuxième hélice à vitesse plus faible. Un dispositif de commutation 67 permet d'alimenter sélectivement les moteurs 53, 54 et 55 par des connexions 70, 71 et 72 ainsi que les deux autres moteurs entraSnant la deuxième hélice par des connexions 73 et 74.Le dispositif de commutation 67 est alimenté en courant alternatif par un cabale 75 sur lequel est installé un wattmètre 76 qui mesure la puissance consommée. Le dispositif de commutation peut être commandé à distance par l'intermédiaire d'une connexion 77. En fonctionnement, on alimente sélectivement un ou plusieurs moteurs de chaque flotteur selon un procédé qui va être expliqué par la suite permettant de minimiser la puissance consommée compte-tenu de la poussée à fournir pour maintenir en place la plate-forme. Sur la figure 4, on a représenté, pour un flotteur donné, les puissances consommées par les hélices en fonction de la poussée qu'elles exercent. Cette variation de poussée est obtenue en modifiant ltorientation des pales des hélices 24. Comme on l'a expliqué précédemment, cette variation de pas est de préférence commandée automatiquement par un ordinateur de façon que la plate-forme soit maintenue en place au-dessus de la tête de puits en fonction des diverses conditions de vents et de courants. Les courbes représentées sur la figure 4 correspondent à un mode de réalisation dans lequel les hélices 24 ont un diamètre d'environ 4 mètres, chacun des moteurs tels que 53 et 54, d'une puissance de 2.000 CV entrasse l'hélice à une vitesse de 120 tours/minute et le moteur 58 d'une puissance de 1.200 CV entrasse l'hélice à une vitesse d'environ 70 tours/minute. Sur ce graphique, on a tracé une première courbe 80 qui représente la puissance consommée par les deux hélices d'un flotteur tournant à 120 tours/ minute, une deuxième courbe 81 qui représente la puissance consommée par une seule hélice tournant à 120 tours/minute et une courbe 82 représentant la puissance consommée par une hélice tournant à 70 tours/minute. On remarquera que pour les très faibles poussées une hélice tournant à 120 tours/minute consomme une quantité relativement importante d'énergie voisine de 800 CV dans 11 exemple ci-dessus. Par contre, la mssme hélice tournant à 70 tours/minute consomme une puissance nettement inférieure voisine de 100 CV dans cet exemple. Si, pour les faibles poussées, on utilise une hélice tournant à 120 tours/ minute, on consomme une quantité importante d'énergie uniquement pour faire tourner cette hélice dans l'eau. Or, cette situation qui correspond à un temps calme est très fréquemment rencontrée. On conçoit donc l'avantage important apporté par l'introduction d'un moteur à vitesse réduite tel que 55. Les courbes 80 et 81 se coupent en un point Q et les courbes 81 et 82 se coupent en un point R. Pour une économie maximale de puissance, il faut théoriquement s'efforcer de rester sur la courbe 82 jusqu'au point R, sur la courbe 81 entre les points R et Q, et sur la courbe 80 au-delà du point Q. Pour ce faire, on peut utiliser la méthode suivante. On définit trois plages de puissances, correspondant respectivement aux segments intéressants des courbes 80 à 82, ces plages pouvant se recouvrir partiellement pour éviter des commutations rapides entre les moteurs lors des variations importantes de poussée qui se produisent au cours des opérations de positionnement dynamique. On peut par exemple définir une plage A allant de O CV jusqu' à une valeur au-dessus du point R, une deuxième plage B allant d'une puissance inférieure à celle du point R jusqu'à une valeur supérieure à celle du point Q et unetroisième plage C allant d'une valeur inférieure à celle du point Q jusqu'à la puissance maximale disponible. On alimente alors les cinq moteurs d'un flotteur donné de la façon ci-après - pour la plage A on alimente uniquement le moteur 55, - pour la plage B on alimente uniquement le moteur 53 (ou le moteur 54) et - pour la plage C on alimente les deux moteurs 53, 54 et leurs correspondants de la deuxième hélice. D'une façon plus simple on peut aussi déterminer seulement deux plages de puissances, l'une pour laquelle le moteur 55 est seul alimenté entratnant une seule hélice à vitesse réduite, et l'autre pour laquelle les deux moteurs 53 - 54 et leurs correspondants de la deuxième hélice sont alimentés entratnant les deux hélices à leurs vitesses nominales. Le premier mode de fonctionnement, faible consommateur de puissance, est alors utilisé au maximum pour les longues périodes de temps calme et l'on n'utilise pas le mode de fonctionnement à une seule hélice tournant à sa vitesse nominale. Les instructions précédentes de commutation peuvent éventuellement être incorporées au programme d'ordinateur servant au positionnement dynamique, lequel commandera automatiquement le dispositif de commutation 67 par l'intermédiaire de la connexion 77. La puissance consommée est mesurée par le wattmètre 76 et transmise à l'ordinateur. REvEDICATIONS 1. Procédé de positionnement dynamique d'un engin de forage en mer tel qu'un bateau ou une plate-forme flottante ou semi-submersible du genre dans lequel on maintient l'engin de forage dans une zone donnée au moyen de dispositifs de propulsion comprenant au moins une hélice à pales orientables entratnée à une vitesse déterminée, caractérisé en ce que l'on entre ladite hélice à une première vitesse lorsque la puissance consommée par ladite hélice est comprise dans une plage supérieure prédéterminée et l'on entrasse ladite hélice à une deuxième vitesse sensiblement inférieure à la première vitesse lorsque la puissance consommée par ladite hélice est comprise dans une plage inférieure prédéterminée afin de réduire la puissance consommée pour des faibles poussées. 2. Procédé de positionnement dynamique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on entrasse une deuxième hélice à pales orientables lorsque la puissance consommée est comprise dans une partie supérieure de ladite plage supérieure. 3. Dispositif de propulsion, pour le positionnement dynamique d'un engin de forage en mer tel qu'un bateau ou une plate-forme flottante ou semi-submer sible, du genre comprenant : une hélice à pales orientables adaptée à fournir une poussée variable en fonction de l'orientation des pales et un moteur pour entratner ladite hélice à une vitesse nominale constante; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour entraîner ladite hélice à une vitesse réduite sensiblement inférieure à ladite vitesse nominale et des moyens de sélection pour commander l'entratnement de l'hélice soit à ladite vitesse nominale soit à ladite vitesse réduite. 4. Dispositif de propulsion selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de sélection sont adaptés à commander l'entratnement à vitesse nominale pour une plage supérieure de puissances consommées par ladite hélice et à choisir l'entratnement à vitesse réduite pour une plage inférieure de puissances afin de réduire la puissance consommée pour les faibles poussées de l'hélice. 5. Dispositif de propulsion selon l'une des revendications 3 et 4 dans lequel ledit moteur est un premier moteur électrique adapté à tourner à une première vitesse, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entrainement à vitesse réduite comprennent un deuxième moteur électrique adapté à tourner à une vitesse sensiblement inférieure à ladite première vitesse et les moyens de sélection comprennent des moyens de commutation pour alimenter sélecti vement l'un ou l'autre desdits moteurs. 6. Dispositif de propulsion selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une deuxième hélice à pales orientables disposée parallè lement à ladite première hélice, un troisième moteur pour entraîner ladite deuxième hélice à une vitesse prédéterminée, ledit troisième moteur étant relié auxdits moyens de commutation, lesquels sont de plus adaptés à alimenter sélectivement ledit troisième moteur. 7. Dispositif de propulsion selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de commutation sont actionnés par des moyens de commande sensibles à la puissance consommée par ladite hélice pour alimenter ledit deuxième moteur afin d'entrainer ladite première hélice à vitesse réduite lorsque ladite puissance est comprise dans ladite plage inférieure, alimen ter ledit premier moteur afin d'entraner ladite première hélice à sa vitesse nominale lorsque ladite puissance est comprise dans une partie basse de ladite plage supérieure, et alimenter le premier et le troisième moteur afin d'entraîner ladite première et ladite deuxième hélice à leurs vitesses nominales lorsque ladite puissance est comprise dans une partie haute de ladite plage supérieure.