Brevet FR2337078A1 — publié le 19770729

La présente invention a pour objet des flotteurs à grande réserve de flottabilité utilisables à grande profondeur, notamment dans les installations de forages pétroliers. On sait que les forages pétroliers sont effectués de plus en plus communément loin des cotes et à des profondeurs de plus en plus importantes. Un des problèmes les plus aigus rencontrés dans les forages et les exploitations à grande profondeur réside dans la déformation, sous son propre poids, de l'ensemble tubulaire reliant le fond marin et les couches géologiques sousjacentes à la station de forage ou de pompage située à la surface. On a donc envisagé de soutenir ces ensembles tubulaires -ou tubes guides- -ou "risers"- à l'aide de flotteurs devant offrir à la fois une réserve de flottabilité la plus élevée possible et une bonne résistance aux agressions extérieures notamment à la corrosion et pression hydrostatique. On a proposé, notamment dans le brevet français 2 018 319, de placer à l'intérieur du tube-guide une réserve de flottabilité constituée par une série de caissons métalliques remplis d'air partiellement sous pression. I1 est prévu de renforcer ces caissons à l'aide d'anneaux de raidissement et en augmentant la contre-pression intérieure d'air. On conçoit bien que de tels dispositifs sont fort motteux, encombrants et rapidement inutilisables car trop lourds dès qu'on atteint une profondeur de plusieurs centaines de metres. En outre leur conception est telle qu'en cas d'implosion, le flotteur est détruit et peut entraîner dans sa destruction les flotteurs adjacents. Enfin la mise en pression de ces caissons métalliques doit être de préférence progressive et effectuée dans l'eau, ce qui complique considérablement l'opération et en augmente le-coQt. On a donc récemment eu l'idée d'utiliser des flotteurs dont la mise en oeuvre soit directe, c'est-à-dire ne nécessitant plus de mise en pression progressive mais présentant au contraire une réserve de flottabilité pratiquement invariable jusqu'à une profondeur donnée. Pour réaliser de tels flotteurs on ne peut s inspirer des flotteurs de surface ou destinés à être immergés à de faibles profondeurs. De tels flotteurs en effet sont largement décrits dans l'art antérieur et n'offrent qu'une faible résistance à la pression hydrostatique et/ou une réserve de flottabilité insuffisante. Le brevet français 1 238 388 décrit des flotteurs, notamment de forme sphérique, comprenant un noyau en béton cellulaire léger, enrobé dans une matière plastique. Ces flotteurs ont une densité trop élevée, de l'ordre de 0,75, et ne résiste à des pressions élevées (100 kg/cm2) que dans le cas d'une forme sphérique donc particulièrement favorable pour résister à la pression et sans intérêt pour soutenir les "risers". Le brevet français 2 042 523 décrit des matériaux de flottabilité constitués d'un grand nombre de corps creux de section transversale sensiblement sphérique, enrobés dans de la mousse syntactique. ta densité de ces matériaux est de l'ordre de 0,35 et leur résistance à la pression hydrostatique est l'ordre du double de la résistance intrinsèque desdits corps creux pour un taux de mousse syntactique au moins égal à 15 %. Selon ce procéde il y a donc une contribution importante de la part des corps creux à la résistance globale du flotteur.tes corps creux sont de préférence, des sphères de styrène-acrylonitrile renforcées et sont entassées dans le moule dans lequel on injecte ensuite la mousse syntactique pour remplir les insterstices entre lesdits corps creux qui peuvent être de taille différentes.Les flotteurs obtenus par ce procédé ont pour principal inconvénient qu'il est difficile de contraler la distribution des corps creux dans la mousse . En outre leurs possibilités de résistance ne sont pas connues et, en cas d'implosion, celleci, du fait de la grande proximité des sphères quasiment jointives, peut se transmettre d'une sphère à l'autre, progresse depuis la surface dudit flotteur jusqu'd son coeur et anéantit ainsi rapidement l'apport de flottabilité procuré par les sphères creuses. Le brevet français 2 091 733 décrit un flotteur perfectionné formant un manchon autour d'une canalisation souple et constitué d'un corps en haut polymère poreux revetu d'une couche de polyuréthanne de quelques millimètres d'épaisseur, de préférence microporeux. Une toile à mailles larges peut être insérée entre le corps et le revêtement. Ce flotteur, dont les performances du point de vue de la densité et de la résistance à la pression ne sont pas décrites, n'est utilisable que dans les hauts fonds où le problème posé par les "risers" est peu sensible. On peut également citer, pour mémoire et du point de vue de la conception des flotteurs d'une manière générale, les brevets français 2 170 812 et 2 189 256 qui décrivent des flotteurs respectivement constitués d'un noyau en polystyrène expansé, revetu, par collage, de plaques de polyuréthanne expansé, elles-memes recouvertes de plaques de polyuréthanne de polyester armé et, pour le second, de matériaux de grande flottabilité enfermés dans une enveloppe souple et hermétique dans laquelle règne une légère dépression. De tels flotteurs qui présentent une excellente réserve de flottabilité, ont une résistance à la compression extrêmement médiocre. La demanderesse a maintenant découvert un flotteur destiné à la sustentation des "risers" permettant d'assurer une réserve de flottabilité efficace jusqu'à des profondeurs de plusieurs milliers de mètres et se différenciant des dispositifs connus de par sa structure interne et sa confor mation externe. L'invention s'applique également aux flotteurs en tout genre auxquels les difficiles conditions précédentes sont demandées. Les flotteurs particulièrement concernés par l'invention sont ceux qui sont constitués en au moins deux éléments distincts pouvant être réunis de manière à former une coquille cylindrique épaisse autour du tube central à soutenir et sont notamment caractérisés en ce que chaque élément est constitué d'au moins un noyau en résine synthétique cellulaire de densité inférieure à 0,2 enrobés dans une mousse syntactique de densité inférieure à 0,75 et en quantité telle que le rapport du volume des noyaux au volume de la mousse soit compris entre 0,1 et 0,5 et de forme telle que la contrainte exercée par le milieu extérieur en tout point de la coque en mousse syntactique et en tout point de la surface des noyaux soit inférieure à la contrainte à la rupture intrinsèque de la mousse syntactique. Dans la description plus détaillée qui va maintenant suivre il sera fait référence aux figures suivantes - la figure 1, qui est une vue en perspective d'un flotteur en demi coquille auquel l'invention peut etre avantageusement appliquée - la figure 2, qui est une vue en perspective et éclatée d'un flot teur en quart de coquille auquel l'invention a été appliquée - la figure 3, qui est une coupe transversale suivant A-A du flotteur représenté à la figure 1 et auquel l'invention a été appliquée - la figure 4, qui est une coupe transversale suivant B-B du flotteur représenté à la figure 2. Les flotteurs selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils sont constitués d'une coque (1) étanche en mousse syntactique moulée aux formes extérieures souhaitées et d'un petit nombre de noyaux (2) en résine synthétique cellulaire rigide placés à l'intérieur de la coque (1) de telle façon et possédant une forme telle que lorsqu'on applique au flotteur la pression maximale qu'il peut accepter avant d'imploser, la contrainte de compression en tout point de la coque et en tout point de la surface de la cavité occupée par les noyaux est inférieure à la contrainte à la rupture de la mousse syntactique. On voit donc que les caractéristiques essentielles de l'invention sont au nombre de trois. Les flotteurs conformes à l'invention doivent en effet d'abord comporter une coque extérieure en mousse syntactique et des noyaux intérieurs en mousse cellulaire rigide, puis le nombre de ces noyaux doit etre faible, enfin la position et la forme de ces noyaux dépend de la contrainte à la rupture de la mousse syntactique. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la mousse syntactique possède une densité inférieure à 0,75, la mousse cellulaire rigide possède une densité inférieure à 0,2, le rapport du volume des noyaux (2) au volume de la coque (1) est compris entre 0,1 et 0,5 et les flotteurs ont la forme de coquille en demi ou quart de cylindre, utilisables pour soutenir les tubes de forage off-shore. Selon l'invention la coque extérieure (1) en mousse syntactique doit englober totalement les noyaux (2). Par mousse syntactique on entend l'enaemo ble composite formés un nombre très élevé de microcellules creuses de petite taille enrobés dans un liant thermoplastique ou thermodurcissable. Dans le cadre de la présente invention on préfère utiliser un liant thermodurcissable tel que des polyépoxys ou des polyesters et comme microcellules creuses, des microsphères de verre.Compte tenu du prix de revient relativement élevé de ce type de mouss hautement performantes vis à vis de la pression et de la reprise en eau (qui est très faible, inférieure 91X), on utilise dans le cadre de la présente invention des mousses syntactiques de densité inférieure à 0,75, de maniere à ne pas hypothéquer trop largement la réserve de flottabilité que peut procurer le flotteur. De telles mousses peuvent avoir une résistance la compression uniaxiale atteignant jusqu'à 900 bars environ. La densité inférieure des mousses convenant bien dans le cadre de la présente n'est pas limitée.Toutefois dans l'état actuel de la technique et pour des usages à des profondeurs importantes on utilise avantageusement des mousses de densité supérieure à 0,55, de préférence supérieure à 0,65 et dont la résistance maximum à la compression uniaxiale est supérieure à 250 bars. Les noyaux (2) selon l'invention sont en mousse synthétique cellulaire rigide. Comme mousse convenant bien on peut utiliser toute mousse de densité inférieure à 0,2 et de résistance à la compression suffisante pour supporter, lors de la fabrication du flotteur, la pression exercée par le poids de mousse syntactique venant enrober lesdits noyaux (2). Cette résistance à la compression ne doit pas généralement entre inférieure à 2 bars et peut atteindre plusieurs dizaines de bars sans dépasser la densité de 0,2 au-del de laquelle les flotteurs selon l'invention deviennent peu intéressants du fait de leur densité globale trop élevée. On peut utiliser par exemple des mousses de polyuréthanne qui conviennent particulièrement bien du fait de leur facilité de mise en oeuvre et leur bas prix.On conçoit bien toutefois qu'on pourrait, sans sortir du cadre de la pression invention, utiliser tout autre matériau multicellulaire dont la densité et la rigidité satisferaient aux critères précédents tel que, par exemple, certaines pierres ponces On voit aussi que la contribution des noyaux à la résistance de l'ensemble es5 selon l'invention, faible, voire mOre nulle. Le nombre de noyaux doit être le plus petit possible de manière à atteindre la densité la plus faible possible pour une résistance donnée la plus élevée possible. En effet si l'on augmente le nombre des noyaux, et donc des cavités, on augmente également le risque de voir l'implosion accidentelle d'un noyau se communiquer au (x) noyau (x) proche(s). De la meme façon si la forme extérieure du flotteur présente un étranglement ou une partie très ressérée (6) (voir figure 1) on peut toutefois etre amené à utiliser deux noyaux séparés au lieu d'un seul, d'un seul tenant : en effet la résistance globale exige alors le dédoublement du noyau, au détriment de la densité. Par contre si le resserrement extérieur est peu accentué (5) on pourra compenser l'amoindrissement de la résistance intérieure qui en résulte pour le flotteur, en jouant sur la forme du noyau qui présente, par exemple, un resserrement (8) par rapport aux parties (7) du noyau, sous-jacentes à des régions extérieures moins affaiblies du flotteur. Le nombre de noyaux peut etre facilement déterminé par l'homme de l'art s'il se base sur le principe général suivant : on trace les surfaces constituées par l'ensemble des points équidistants de la surface du flotteur et situés à l'intérieur dudit flotteur, de manière à déterminer pour des valeurs discontinues d'équidistances, un certain nombre de nappes fermées d'abord d'un seul tenant puis, éventuellement au fur et à mesure qu on pénètre en profondeur, en deux ou plusieurs parties. Tne fois cette opération effectuée on sélectionne la nappe qui, si elle était remplie de la mousse synthétique cellulaire dont on dispose et entourée de la mousse syntactique dont on dispose,déterminerait un flotteur possédant la densité globale recherchée. Le nombre de parties dont est constituée cette nappe est égal au nombre de noyaux (2) nécessaires pour réaliser l'invention. La position des noyaux est déterminée par la méthode précédente car elle coïncide dans une large mesure avec celle de la nappe. La forme des noyaux est déterminée par approximations successives. On calcule d'abord, pour la pression maximale de fonctionnement envisagée, les contraintes en un grand nombre de points de l'intérieur de la coque et de la surface de la nappe, notamment nombreux dans les zones de forte concavité de la nappe. Si les valeurs trouvées ne sont pas inférieures à au plus 90 à 100 % de la valeur maximale de la contrainte à la rupture de la mousse syntactique, on modifie légèrement le tracé de la nappe dans le sens d'une concavité moins forte. Si les valeurs trouvées dans les zones faiblement concaves de ladite surface sont très inférieures aux valeurs limites indiquées plus haut, on pourra également accroître la concavité de ces dites zones de manière à pouvoir compenser les modifications de tracé effectuées dans les zones de forte contrainte, tout en conservant globalement le meme volume pour les noyaux (2), donc la meme densité globale pour le flotteur. Par observation des règles précédentes, on obtient de proche en proche et itérativement la forme convenable pour les noyaux. Selon une variante de l'invention le nombre de noyaux peut être artificiellement augmenté de manière à ce qu'en cas d'implosion accidentelle d'un noyau, la réserve de flottabilité ne soit amputée que de la proportion imputable audit noyau. Dans ce cas, qui a été représenté schématiquement à la figure 2, on obtient un compromis résistance à la compression-densité globale moins avantageux que dans le cas précédent, mais au bénéfice d'un risque de perte de flottabilité plus faible. L'intervalle de mousse syntactique à laisser entre deux noyaux est dans ce cas évaluable à l'aide de la méthode précédemment citée et représente une distance de l'ordre de celle qui sépare, en moyenne, la surface desdits noyaux de la surface extérieure du flotteur. L'invention concerne les flotteurs de toutes les formes et plus particulièrement ceux qui sont destinés à soutenir les objets immergés à une profondeur de 400 à 4 000 mètres en fournissant une réserve de flottabilité de l'ordre de leur propre poids. Les flotteurs selon l'invention peuvent etre fabriqués avantageusement à l'aide du procédé suivant. Dans un premier temps on réalise le moulage des noyaux aux formes souhaitées et on prépare leur positionnement final en traversant de part en part les moules utilisés d'un ou deux fils présentant une bonne résistance à la traction et une faible élasticité (fil métallique, par exemple). Le (ou les) chapelet (s) de noyaux ainsi obtenu (s) est (sont) placé (s) dans un moule aux formes du flotteur à fabriquer et tendu (s) à travers ledit moule de manière à ce que les noyaux occupent dans le moule la position qui leur échoit dans le flotteur. Dans un second temps le moule est placé sous une légère dépression de façon à dégazer la mousse cellulaire après quoi on coule sous vide la mousse syntactique et on observe les différents plateaux de cuisson éventuels pour réticuler ladite mousse. On réussit l'intégration des noyaux dans les flotteurs avec une excellente précision. Les flotteurs objets de la présente invention sont remarquables en ce qu'ils offrent une réserve de flottabilité élevée et pratiquement invariable jusqu'à des profondeurs importantes. Ils font appel au maximum à des matériaux peu onéreux et permettent un vaste choix de formes et de dimensions, donc de se plier éventuellement aux impératifs économiques ou techniques de moulage. Les exemples suivants illustrent un flotteur conforme à l'invention et destiné au soutien des "risers" des installations pétrolières de forage situées au-delà des côtes. Ces exemples ne doivent en aucun cas être considerés comme limitant en quoi que ce soit la portée de l'invention. EXEMPLE 1 On a préparé des flotteurs pour soutenir un "riser" dont les éléments modulaires ont 15,20 m (50 pieds) de long, 47,3 cm (18 pouces 5/8) de diamètre extérieur et 1,3 cm (1/2 pouce) d'épaisseur. Le poids de tels modules est de 4 tonnes et ils sont soutenus à l'aide de 3 séries de flotteurs de 4,50 m de longueur. Chaque série est constituée d'un demi-flotteur de forme hémicylindrique et de deux quarts de cylindre comme représentés respectivement aux figures 1 et 2. A la figure 1 on voit représenté un tel flotteur hémi-cylindrique- compor- tant des renfoncements annulaires (5) et (6) destinés à recevoir des brides de serrage et de fixation et des saillies (3) déterminant des passages longitudinaux (4) destinés au passage de cIbles et de tubulaires auxiliaires. Les rayons de courbure extérieur et intérieur sont respectivement 49,7 et 23,7 cm. On utilise une mousse syntactique à liant époxyde durcie à l'anhydride tétrapropényl succinique, additionné de silice et de D MP 30 (2,4,6 tri (méthylaminométhyl) phénol) et chargée de microsphères creuses en verre. La densité d'une telle mousse cosiercialisée par la S N P E sous le nom de F M 100 est de 0,65 et sa résistance intrinsèque à la compression est de 300 bars. On a utilisé coque mousse cellulaire pour les noyaux une mousse polyuréthanne à base d'EKANATE-MC 31 et d'ERAMERE-RA 203 commercialisées par Péchiney-Chimie Ugine Kuhlmann, de densité 0,10 et de résistance à la compression 5 bars. Ces mousses sont utilisées pour preparer deux flotteurs en quart de cylindre de densité globale 0,5 et de 1380 litres de volume. Dans chacun de ces flotteurs on a placé 4 noyaux de 94 litres munis, dans un premier cas, d'une forme cylindrique de diamètre 14 cm et de deux calottes hémisphériques (hauteur totale : 74 cm) et, dans un second cas, d'une forme déterminée conformément à la méthode exposée plus haut, tenant compte des renfoncements annulaires extérieurs de la coque (hauteur totale de ces noyaux . 82 cm). On a utilisé deux fils de fer de 2 nm de diamètre pour assurer la mise en place des noyaux dans le moule. Le moule est mis en dépression de 0,5 atmosphères pendant 2 heures, puis on coule la mousse syntactique en observant des paliers de cuisson entre 60 et 100 C aux termes desquels et après refroidissement les flotteurs sont démoulés On a obtenu des flotteurs résistant respectivement à 85 + 10 bars et à 100 + lObars. La reprise en eau constatee est inférieure à 1 Z. On constate donc qu'il est intéressant d'utiliser la méthode itérative exposée plus haut, lorsqu'on désire, à partir d'une mousse syntactique de performances données, obtenir une résistance élevée à la compression. EXEMPLE 2 On a utilisé pour fabriquer des flotteurs analogues à ceux de l'exemple 1 une mousse syntactique FM 200 de densité 0,70 comprenant du A commercialisé par Allied Chemical comme durcisseur et des microspheres de verre calibrées. La contrainte intrinsèque maximale acceptable par cette mousse est de l'ordre de 600 bars. Pour constituer les noyaux on a utilisé de la PYROMOUSSE II de la S N P E (licence ONERA) réglée à la densité de 0,12 (résistance à la compres sion 25 bars). En variante on a aussi utilise une autre mousse commercialisée par SHEBY sous le nom de MIXURANE 15725, dont la densité est de 0,1 pour 20 bars de résistance. La forme des noyaux a été calculée par la méthode itérative. On a obtenu des flotteurs de densités respectives 0,55 et 0,53, résistant à une compression extérieure supérieure à 150 + 10 bars, c'est à dire corres pondant à une profondeur de l'ordre de 1 500 mètres. REVENDICATIONS 1 - Flotteurs à grande réserve de flottabilité utilisables à grande profondeur constitués par une coque étanche en mousse syntactique moulée aux formes extérieures souhaitées, caractérisés en ce qu'un petit nombre de noyaux en résine synthétique cellulaire rigide sont placés à l'intérieur de ladite coque de telle façon et possédent une forme telle que lorsqu'on applique au flotteur la pression maximale qu'il peut accepter avant dtimploser, la con trainte de compression en tout point de la coque et en tout point de la sur face des cavités occupées par lesdits noyaux est inférieure à la contrainte à la rupture de la mousse syntactique, la mousse syntactique possédant une densité inférieure à 0,75 et une résistance à la compression uniaxiale com prise entre 250 et 900 bars, la résine cellulaire rigide possédant une den sité inférieure à 0,2 et une résistance à la compression supérieure à 2 bars. 2 - Flotteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que le rapport du volume des noyaux par rapport au volume de la coque est compris entre 0,1 et 0,5.