Brevet FR2440442A1 — publié le 19800530

La présente invention concerne une plateforme offshore constituée par trois modules géants fixés sur sept piliers jacket, ainsi que le procédé de préfabrication, de transport sur navire OBO et de pose rapide de ces trois modules. L'idés principale de l'invention est la construction dans des délais très courts de plateformes offihore de production, par la go so rapide de trois modules géants contenant presque tous les équipe- monts prévus par l'Engineering, leur fixation et liaison afin de pouvoir réduire cinq à dix fois les délais de montre dune plate- forme de production. Construire en un mois des investissements que l'on fait maintenant pendant presqu'une année, tel est le but de l' idée de base de cette invention: des modules de 1 000 a 5 000 t. Les modules que l'on pose actuellement sur les plateformes offshore au bien de barge-grues de 800 t posent entre 100 et 700 t, suivant l'état do la sers quand la houle est forte, les barge-grues doivent attendre une accalmie, quelquefois pendant des semaines, Car la manutention da modules de plus de 300 t est extrèmement délicate. La conception des ouvrages pétroliers en mer nécessite un examen approfondi de l'environnement marin, la connaissance des interactions de la houle , du vent et des courants sur les plateformes ainsi qu'une bonne évaluation des contraintes en résistance des matériaux.Ces trois doisines essentiels obligent a. entreprendre des campagnes de mesures sur site longues et couteuses: c'est la raison pour laquelle les piliers type jacket, en précédant de plusieurs Mois l'arrivée des trois modules géants, facilitent l'étude tres détaillée des conditions sur site et une meilleure préparation de la plateforme de production. Normalement après le phase de pose d'une plateforme offshore, succède celle de l'installation des équipements, de préférence pré assemblé@ dans des modules de 100 à 500 t, modules lais en plage par des barge-grues. Viennent ensuite les travaux d'installation des auxiliaires, des tuyauteries, des caties, les essais, vérifications, mises au point, réoeptions, ...des travaux qui selon les conditions locales sont plus ou moins longs, plus ou moine couteaux. Quand on étudie et compare les deux plannings PERT-TEMPS et PERT-COUT de l'installation d'une plateforme offshore, il ressort qu'une très grands amélioration est possible sur la phase installation des modules et surtout sur celle des travaux suivants: c' est U le but de l'invention. La durée de construction des jackets est déjà très courte mais il est possible d'en réduire le côut par rapport aux jackets classiques: c'est là le second but de l'invention. Il est très difficile de réduire le prix ex-work des nombreux équipemente, mais il est possible de faire de grandes économies sur leur installation dans un module géant et non pas dans de nombreux modules: un autre but de l'invention. C'est surtout sur les frais de transport, de stockage, de manutention, de conservation et entretion des équipements qu'il est possible de gagner temps et argent. Des travaux de préfabrioation de modules géante dans un chantier de construction navale sont de meilleure qualité, mieux organisés, moins couteux que des travaux sur chantier offshore. Les travaux d'engineering offshore sont très complexes et l'expérience compte beaucoup pour la recherche de principes nouveaux après les périodes expérimentales et les choix des techniques les plus avantageuses. Depuis environ trois @ns les navires OBO sont vendus au prix de la ferraille, c'est pourquoi ils peuvent remplacer très aventageusement les barges spéciales pour le transport des modules géants de 1 000 à 5 000 t. Le procédé de basculement des jackets sur site offshore reste né@moins aotuel si l'on utilise des barges pour le transport de celles-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux au cours de la desoription qui suit. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples: - la Fig.1 est une élévation de la plateforme offshore et la Fig.2 sa vue en plan; - la Fig.3 représente schématiquement la charpente vue en plan et la Fig.4 la charpente suivamt A-A en élévation; - la Fig.5 est un plan de situation des différents jackets, - la Fig.6 montre la pose du jacket central et la Fig.7 celle des jackets périphériques; - la Fig.8 montre en plan le jacket central et la Fig.9 son éléva tion avec en pointillé le module géant 5; - la Fig.10 représente en plan un jacket périphérique commun à deux modules alors que la Fig.11 est pour un jacket de fix@tion d'un seul module;; - la Fig.12 représente en élévation un jacket périphérique avec en pointillé un module géant; la partie à droite ou Pig.13 montre en coupe le navire OBO posant un module sur le jacket; - la Fig.14 présente mieux le navire 030 entre deux jackets; - la Fig.15 montre schématiquement en plan, comment trois modules géante sont fixés sur le pont d'un navire OBO; - la Fig.16 est la vue en plan d'un OBO en cale sèche pendant la préfabrication des modules dans un chantier de constructions nava- les, sur le pont de l'OBO; - la Fig.17 montre en plan un navire 0B0 avec trois modules, au no ment de la pose rapide du premier module; - la Fig.18 montre le moment de la pose du second module et la Pis. 19 celui de la pose du troisième module; - la Pig.20 représente en élévation trois modules géants sur le pont d'un navire OBO, lors du transport maritime et pendant la pose; - la Fig.21 est une vue en plan de la charpente du module 4 pendant la pose sur les jackets Le 2 et 3 - la Fig.22 montre schématiquement le principe de pose rapide d'un module géant, commandé et contrôlé depuis un poste central; - la Fig.23 montre an plan la charpente du second module et la Pis. 24 celle du troisième module; - la Fig.25 présente schématiquement an plan l'extension possible de la plateforme centrale et surfout le système d'amortissement pneu matique de la houle, pendant la construction; - la Fig.26 montre la coupe suivant E-E du système d'amortissement avec un diagramme Fig.27 présentant des résultats expérimentaux. Lors de la construction des plateformes offshore, les diffi cultés les plus grandes sont dûes aux conditions climatiques, au vent, aux vagues, à la marée. Avec des vagues dépassant 1,50 @ il est préférable d'attendre le beau temps pour placer des modules de 100 à 500 t. L'invention a pour but la construction de plateformes même par temps médiocre avec des vagues de 3 m de creux. Une des cription plus détaillée suit, exposant mieux les caractéristiques et lee avantages de l'invention d'une plateforme offshore de produc- tion de pétrole ou de gai naturel. La Fig.l montre en élévation une plateforme offshore pour fonds de -10 m Q & -50 m, posée sur des jackets 1,2,3 préalablement très solidement fixés par des pieux enfoncés dans le sol marin. Une grue 1 de construction bien adaptée aux conditions de service, se déplace sur un chemin de roulement surélevé, afin que son crochet en position 81 @ ou C puisee soulever aes poids compris entre 25 t, 10 t et 5 t par exemple, au-dessus des équipements de production d'assez grande hauteur, délimitée par des tirets sur la Fig.1.Sur cette figure on voit les quatre parties principales de la platefor- met les jackets, les modules avec les équipements, la grue. La Fig.2 est la vue en plan de la plateforme offshore de production, de pétrole ou de gaz naturel, de forme hexagonale. @lle est constituée par l'assemblage de trois modules géants 4, 5, 6, en forme de losange, d'un poide variable de 1 000 b 5 000 t, avec des zones délimitées par t pour les équipements lourde, N pour les équipements moyens, P pour ceux plus légers. Un navire de service 21 est amarré au boat-landing 22, dans les limites de portée de la grue 7. L'héliport 23 est disposé dans l'angle extérieur du module 5, au sommet d'un batiment abritant bureaux, salles de contrôle, vestiaires, toilettes, réfectoire, infirmerie et poste de secours. La Fig.3 représente schématiquement la charpente des trois modules 4, 5, 6 vue en plan, avec la coupe A-A montrée sur la pic. 4 qui fait ressortir la charpente du plancher de la charpente des ponts de résistance entre les jackets 1, 2 et 3. Ainsi au stade de la préfabrication sur chantier de constructions navales, les très nombreux équipements, tuyauteries, cablages, machines, peuvent être insérés dans les charpentes des modules géants, les planchers, murs* toitures et passerelles mis en place définitivement ou provi- soirement. Ce dessin de charpente a été choisi car il semble assurer un degré maximum d'élasticité indispensable pour la procédure de pose rapide préconisée pour les modules géants. La Fig.5 montre en plan la position respective du jacket contral 1, et des jackets périphériques 2 et 3. Il est nécessaire de disposer ces jackets avec précision et les fixer par des pieux très solidement dans le 801 marin. Cette mise en place des jackets peut precéder de plusieurs mois l'arrivée des modules et être l'ocoasion d'études très poussées des conditions de site. Il sera surtout procédé à une mesure très précise des points d'appuis des modules, car ri les tol@rances de pose des jackets sont de + ou - 0,30 m entre coux-ci, les appuis sur les modules doivent presque coincider avec les points sur les jackets, avec une tolérance de + ou - 3 cm.Après les relevés des points des jackets, des corrections sont nécessaires pour la position des points d'appui des modules en cours de préfa- brication au chantier naval, afin que ceux-ci lors de la pose rapide sur les jackets coincident presque parfaitement. L'expérience acquise dans la pose des jackets des plateformes offehore eet indispensable pour bien placer le jacket central ; avec une barge-grue, comme sur la Fig.6 ou les jackets périphériques , 3 comme sur la Fig.7 od la bsrge-grue 8 est bien ancrée et profite d'une mer prea- que sans houle pour bien fixer le jacket. Il existe des barge-grues pouvant soulever 800 à 1 000 t, c'est-à-dire des jackets pour fonde de moins 70 à 80 m. La Fig.8 représente en plan le jacket central 1 commun aux trois modules 4, 5 et 6, modules en forme de losange avec un angle au centre de 1200. Un minimum de quatre pieux fixe chacun des poteaux dans le sol marin, et la profondeur d'enfoncement devra être suffisante pour résister à l'effort dynamique de la pose rapide d' un module géant de l 000 à 5 000 t, le premier module étant de prê férence le plus léger. I1 est aussi possible de poser le premier module sur tous les appuis du jacket central i et d'éliminer eneuite des éléments de charpente provisoire, afin de laisser place aux deux modules suivants. La Figez montre le jacket central ; en élévation, avec schéma- tiquement les axes des pieux de fixation dans le sol marin, et en pointillé le module 5 posé sur ses appuis. Pendant la procédure de pose des modules géants, il faut tenir compte du phénomène de hauteur des marées R et aussi de la hauteur de la houle , il faut se- voir quand choisir la période la plus favorable pour les travaux de pose des jackets et celle de pose des modules géants. La Fig.10 est la vue en plan d'un jacket périphérique a commun à deux modules voisina, et la Pig.fl celle d'un jacket périphérique 3 support d'un module géant. Pendant la pose rapide d'un module ant, l'effort dynamique doit surtout porter sur les jackets 3, c'est sur ses appuis que doit porter le premier effort dynamique et enssui- te sur les trois autres jackets 1* a et a. La Fig.12 montre l'élévation d'un jacket 2 ou 3 fixé par des pieux au sol marin et en pointillé un module géant sur les appuie. A côté est représenté par la FiG. 13 la principe de la pose rapide d'un module géant porté par un navire 030 (Oil Bulk Ore) 9, le module étant fixé sur le pont du navire par des appuis tubulaires en V. Le module est représenté en tirets. A un moment bien précis et con trôlé, le support en V peut entre sectionné par un cordon d'explosif entourant en 24 chacun des tubee des V, avec évidemment une cloison de protection li. La forme en V des supports est préférable car com- me on le voit sur le croquis, après une chute d'une hauteur -a-, le tube fixé au module n'est pas gêné dans sa descente et le module de la position indiquée en tiret descend à la position indiquée en pointillés. Si la hauteur -a- est de 25 cm, la chute ou pose rapide dure environ 0,1 seconde.Il est même souhaitable que le premier contact d'appui ait lieu sur le jacket 3, ensuite sur les jackets a et enfin sur le jacket central 1: il est possible de décaler l'allu- mage des cordons explosifs d'une infime fraction de seconde, par r exemple de 0,02 secondes. Cette procédure sera complétée par des explications de la Fig.22. La Fig.14 montre en élévation le navire 030 pendant la pose d'un des modules 4, 5 ou 6 sur les jackets et a et 3, entrant dans l'espace entre ceux-ci. La houle peut soulever et abaisser le navi- re d'une hauteur-b-, le ballastage ou le déballastage des réservoirs de l'OBO peut changer sa position en hauteur de -c-. Il y a aussi la marée dont le Capitaine du navire doit tenir compte pour ses ma- noeuvres lors de la pose des modules. La Fig.15 montre en plan comment les modules 4, 5 et i et oà de préférence sont situé les V de support des modules sur le navire OBO: la construction et la position des cloisons du navire doivent guider le choix dee points de fixation et support des module les géants de 1 000 à 5 000 t. La Fig.16 montre vu@ en plan la position du navire 9 dans une cale sèche 10 de chantier de constructions navales, avec une grue portique 11 de 500 t pour le montage des modules 4, 4, 5 et g. Les conditions de travail et la qualité de celui-ci sont de beaucoup préférables à ceux d'un chantier offshore, et ceux-ci terminés, la porte écluee 12 laisse partir le navire 030 avec ses modules géants. La Fig.17 représente en plan le navire OBO sur le site de la future plateforme, au moment de la pose du module 4 sur les Jao- kets. Après avoir placé ce premier jacket, le navire 9 se dégage q marche arrière, avec sos deux modules restant 2 et 6. Le navire attend le moment propice pour venir( comme montré cur la vue en plan Fig.18, mettre en place la seconde partie de la plateforme, le module géant 5. Après la pose rapide de celui-ci, le navire OBO se dégage en marche arrière. La Fig.19 est vue en plan l'instant de la pose rapide du troisième module 6, sur les jackets, au moyen du navire OBO 9, après quoi avec beaucoup d'attention ce dernier manoeuvrera pour se dégager en marche arrière de sous la plateforme offshore. Si le temps est propice, les trois procédures de pose rapide des modules 4, a et 6 peuvent durer entre 8 et 10 heures, soit environ 3 heu res pour la pose rapide d'un module. Entre une durée normale de pose d'une plateforme classique avec celle des nombreux modules d'équipements qui varie entre cinq et sept mois, et celle réduite à une journée et au maximum une se maine, les progrès possibles sont énormes. La réduction des frais de montage sur site peut être de 50 * mais ce sont surtout les économies d'investissements qui sont très importantes. C'est là un moyen pour réduire d'environ une année la durée de construction d' une plateforme de production offshore pour pétrole ou gas naturel. La Fig. 20 représente en élévation le navire 030 avec les 3 modules géants 4, 5, 5, 6 fixés sur le pont, pour un voyage très lointain et comme on peut le constater, la visibilitée du pont de commandement & l'arrière du navire 2 est totalement obstruée par les charpentes et les équipements, c'est pourquoi un poste de pilotage provisoire 26 est prévu & l'avant du navire OBO, sur ou sous le module 4. Sur site, c'est avec l'assistance de remorqueurs qu' il faut manoeuvrer, et même au moyen de cables ancrés au fond de la mer. La Fig.21 présente en plan agrandi le module 4 posé sur les jackets b, 2 et , et surtout la charpente dont la trame est triangulaire. Pour faciliter les travaux de pose rapide et d'installa- tion, il est souhaitable que la grue 1 soit sur le premier module. Avec ce dessin on comprends mieux pourquoi la pose rapide préconie sée avec un infime décalage des sectionnements des V & l'explosif, a pour lut de poser en priorité le module sur le jacket 3, enitite sur les jackets a et finalement sur le 1, après quoi le navire 2 pourra se dégager en marche arrière. La Fig.22 montre schématiquement le poste de contrôle central de la pose rapide des modules, avec quatres Opérateurs U, X, Y, @ devant leurs écrans de TV montrant les images des points d'appui F, G, H controlés à distance par des caméras 28. Quand la situation est propice à la pose rapide, les sectionnements par explosion des points 29 sur les supports en V sont commandés par les Opérateurs. Seulement la TV en circuit fermé peut être efficace pour surveiller attentivement la position dee points d'appui des modules et ceux des jackets, pendant les mouvements du navire 9 sur la houle, pendant les manoeuvres de déplacement lent au moyen des cables ancrés au fond, durant le ballaetage et le déballastage des réservoirs de l'OBO, et aussi les changements avec la marée.Poser un module de 1 000 t à 5 000 t est une expérience très délicate qui mérite même d'titre expérimentée & échelle réduite sur un lac ou un bassin. La Fig.23 représente en plan la pose de la seconde partie de la plateforme, le module 5 qui après la pose rapide est relié avec le module 4. La Fig.24 montre en plan le troisième module 6 après sa mise an place sur les jackets, après guoi le navire 9 doit se dégager. Il est évident que des travaux supplémentaires restent à faire après la pose du troisième module* mais ils sont réduite en nombre et en importance. La Fig.25 représente schématiquement en plan la facilité de l' extension de la plateforme de bsse, constituée par les modules 4, 5 et 6, par l'addition suivant le même procédé des modules 13, 14, 15 16, 17 et 18. On comprends mieux les avantages de ce procédé de pré fabrication des modules géants et de leur pose rapide. Il y a em mer une boule qui très souvant complique les travaux, c'est pourquci entre les bateaux de service 19 est installé un système pneumatique 20 pour l'amortissement de la hauteur des vagues. La coupe suivant E-E montre sur la Fig.26 le système expérimenté par MM. BOGOLMPOV et KERMAN en 1935, à l'entrée d'un port russe de la Mer Noire. Le système pneumatique de protection contre le houle est asses curieux s de l'air comprimé intervient activement par sa détente à la sortie d'un tube posé pros du fond, on produisant un brassage de la masse d'eau. Deux tubes percés de nombreux trous sont installés entre deux bateaux distants de 400 à 800 m, à une certaine profondeur, alimentés en air comprimé à chaque extrémitée, à une pression appropriée. L'air sortant par des petites ouvertures sur toute la longueur des tubes se détent et remonte en surface sous forme de pep tites bulles qui forment un véritable rideau gaseux entre les deux bateaux de service. Plusieurs phénomènes hydrauliques différents interviennent simultanément dans le fonctionnement de oe système. La masse d'eau subit d'abord des ruptures nombreuses qui changent constemment de place; l'ensemble a pour effet d'enlever aux vaguesleur caractère périodique: il en résulte une diminution d'anplitude des vagues, c'est-à-dire un amortissement. Si la hauteur des vagues était de 2a loin avant le système pneumatique, elle est réduite 2b après celui ci. D'autre part les particules profondes sont entraînées de bas en haut ce qui provoque aussi un affaiblissement des vagues, mouvement ascendant qui soulève la surface libre, nouvement instable qui change constemment de forme et pour conséquence des amplitudes b' et b" variables mais proches de b. Par ce système pneumatique on provoque la formation de nouvelles vagues de très courte période qui se propagent sur les deux côtés de l'intumescence; il se forme deux courants superficiels oppoBés et divergents, avec des courants compensateurs ascendants et descendants, circuits d'eau verticaux fermés sur eux-mêmes de chaque ôté des tubes perforés. Il y a superposition de vagues avant et après les tube une vague secondaire courte produite par le système pnaumatique se superpose è une vague primaire relativement longue qui vient du large, d'où un amortissement de ces vagues primaires. Les expériences effectuées ont permis de tracer des courbes repre- sentées sur la Fig.27 avec en ordonnée V le débit d'air en m3/min. et en abscisse l'amplitude des vagues primaires 2 hl en m. Si 1' on veut réduire par exemple 4 fois une vague primaire ayant une hauteur 2hl= 3,5 m à une hauteur de 0,875 m, la consommation d' air sera de 4 Nm3/min et par m de longueur du brise-lame pneumatique c' est-à-dire pour une distance entre les deux bateaux 19, de 600 n, la consommation d'air serait de 4 X 600 = 2 400 Nm3/min. Il suffit que chaque bateau 19 soit propulsé par une turbine à gaz de 5 000 CV et que. les gas d'échappement soient envoyés dnns les tubes 20 de 1'. amortisseur pneumatique, à une pression de 1,5 à 2 bars. C'est là un système onéreux pour la protection permanente d' un port contre la houle, mais pour des travaux offshore extrèmement couteux, ce système pneumatique peut éviter l'immobilisation des travaux pendant les périodes de houle trop forte. Ce système est indispensable dans le cas de pose rapide des modules géants 4,5,6, quand la houle arrive par le travers du navire OBO 2 et provoque du rouli. Le système d'amortissement pneumatique eot d'une utilisation très souple et facile à adapter aux conditicne locales et p l'instant donné, en variant le débit d'air et la distance entre les deux bateaux 19. R E V E N D I C A T I O N S 1. Plateforme offshore pour production de pétrole ou de gai naturel, de fonce hexagonale en plan, caractérisée par l'assemblage de trois modules géants 4, 5 et 6, posés sur sept piliers jacket 1, 2 et , une grue 7 pour l'entretien des équipements, un batiment de service surmonté d'un héliport 23, avec un boat landing 22 pour l'accostage des navires. 2. Plateforme offshore selon la revendication 1 caractérisée par un jacket central L, trois jackets périphériques a support des modu- les 4, 5 et 6, ainsi que trois jackets périphériques 3 communs à deux modules voisins, ces sept jackets étant solidement fixés au fond marin le plus tôt possible, afin de mieux servir à faire une étude très précise dee conditions de site et surtout effectuer des mesures très précises dee distances entre les pointe d'appui des modules géants 4, 5 et 6, mesures indispensables pour corriger la disposition des appuie des modules encore en préfabrication. 3. Plateforme offehore selon la revendication 1, caractérisée par trois modules géante 4, 5 et 6 constitués par des charpentes enca drant de nombreux équipements, appareils, tuyauteries, cables, accessoires et instrumentation, matériel installé et prêt à fono- tionner presqu'aussitôt après fixation dee modules sur les jackets et liaison des modules entre eux. 4. Plateforme selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisée par une préfabrication très poussée des modules géants 4, 5, 6 sur le pont d'un navire 030 9, dans la cale sèche 10 d'un chantier naval. 5. Plateforme selon les revendications 1 à 4 caractérisée par l'uti- lisation d'un navire 030 9 pour le transport des modules 4,5,6 du chantier naval de préfabrication jusqu'au site de la plateforme. 6. Plateforme selon les revendications 1 à 5 caractérisée par un procédé de pose des modules sur les jackets, le navire 2 s'enga- geant tout d'abord entre les jackets 1, a et 3 pour y poser le premier module 4, reculant ensuite pour venir poser le second module 5, reculant encore pour revenir déposer le troisième module 6, manoeuvres très délicates nécessitant ballastage et déballasta- ge des réservoirs du navire OBO. 7. Plateforme selon les revendications 1 à 6 caractérisée par un sye- tème de pose rapide des modules géante 4,2,6 sur les jackets 1,2,3 grace au sectionnement à l'explosif 29 des V de fixation li des modules sur le pont du navire 9, procédure de coupure très rapide contrôlée et commande d'un poste central, par des opérateurs U, X, Y et @ observant sur écrans de télévision la position des points d'appui sur jackets et sur modules montrés par des caméras de télévision 28, les opérateurs décident les manoeuvres à fair. et l'instant précis de commande des sectionnements à 1' explosif. par 8. Plateforme selon les revendications 1 à 7 caractérisée l'utilisa- tion d'un système d'amortissement pneumatique de la houle, pen dant les phases de pose rapide des modules 4,5,6, , au moyen de deux navires de service 19 déchargeant de l'air comprimé dans des tubes 20 immergés entre eux deux, système pneumatique pouvant ré duire 3 à 4 foie la hauteur des vagues et en conséquence diminuer le tangage et le rouli du navire 030 9 pendant les manoeuvres de pose rapide des modules 4,5 et 6. 9. Plateforme selon les revendications 1 à 8, caractérisée par une extension rapide et facile de la plateforme de base 4,5,6 au oye de la pose de modules géants supplémentaires 13 à 18 par exemple, sur des jackets préalablement fixés, suivant la même procédure. 10. Plateforme selon les revendications 1 a 9, caractérisée par un démontage possible et enlèvement des modules géants 4,5,6,13 à = au moyen du navire OBO 9, pour leur réparation capitale ou l' utilisation sur un nouveau site.