Brevet FR2463847A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne des structures sous-marines utilisables dans l'exploitation de gisements miniers situés au niveau ou, au-dessous du niveau des fonds de la mer ou d'un lac. Cette demande se réfère en particulier à des structures sous-marines destinées à l'exploitation du pétrole dans des champs pétrolifères, situés dans une mer de profondeur quelconque. On notera cependant que l'invention est également applicable à une quelconque structure sous-marine à laquelle le personnel doit accéder, soit pendant la construction, soit pendant l'exploitation. Lorsque l'on capte du pétrole en des endroits ou l'eau est relativement peu profonds, il est possible d'installer une lourde unité de base sur le fond de la mer et d'ériger par-dessus, une tour effectivement rigide qui s'élève jusqu'à la surface de l'eau. Dans ce cas, le pétrole est acheminé sans aucun traitement, par l'intermédiaire de l'unité de base servant éventuellement d'unité de stockage, le long de la tour Jusqu'à la surface. Si la structure est à proximité de la cote, des oléoducs rigides peuvent relier la structure à la côte, ou bien on peut prévoir, en haut de la tour, une ou plusieurs estacades articulées pour le chargement des pétroliers en mer.Une plate-forme assurant le traitement du pétrole et comprenant des installations de logement pour le personnel peut également être construite en prolongement de la tour, au-dessus de la surface normale de l'eau, en tenant compte de la hauteur maximale des vagues et des fluctuations des marées. Le développement de ce type de structure d'exploitation a cependant été empêché lorsque l'eau atteignait des profondeurs de 200 mètres ou davantage. En effet, le coût des structures et les difficultés pratiques présentées par le montage et l'exploi- tation des structures augmentent tellement dans ce cas qu'il a fallu recouvrir à d'autres procédés d'exploitation en mer. Un procédé particulier, actuellement en usage dans les exploitations en eau profonde, suppose l'emploi d'une plate-forme flottante amarrée, à laquelle sont reliés ou bien un oléoduc fixe de liaison à la côte ou bien un quai de chargement articulé flottant. Dans ce cas, le pétrole n'est généralement pas traité au niveau du fond marin, avant d'être amené à la surface et 1' installation d'une colonne montante à haute pression et de Joints souples à haute pression pose de sérieux problèmes. Des études ont montré qu'un système complet d'exploitation sous-marine fonctionnant sous une pression d'une atmosphère environ était possible et économiquement viable pour des applications en eaux profondes, mais en général, ce système imposerait d'utiliser des véhicules navettes submersibles pour le montage et la maintenance des installations sous-marines. Bien que la technologie de ces véhicules navettes submersibles soit bien développée, ces derniers imposent de sévères limitations aux dimensions et au poids des équipements qui peuvent être transportés, ainsi qu'à la fréquence de ces transports et demandent un personnel spécial, capable d'utiliser une telle structure. Un objet de l'invention consiste donc à proposer une structure sous-marine convenant particulièrement bien aux installations en eaux profondes et à laquelle il soit relativement simple d'accéder. Selon l'invention, on propose une structure sous-marine à utiliser dans l'exploitation des gisements miniers situés au niveau ou au-dessous du niveau du fond marin ou du fond d'un lac, cette structure comprenant : - une unité de base capable de reposer sur le fond de la mer ou sur le fond d'un lac, et à laquelle le personnel doit avoir accès - d'une tour creuse, fixée à une extrémité à l'unité de base qui s'élève à partir de cette unité jusqu'à une hauteur suffisante pour que le haut de la tour atteigne sensiblement la surface de l'eau lorsque l'unité de base repose sur le fond de la mer et des dispositifs permettant à la tour de flotter en position sensiblement verticale lorsqu'elle est reliée à l'unité de base et que cette unité de base repose sur le fond de la mer ; dans cette structure, la tour est fixée à l'unité de base par un ;joint articulé et des dispositifs permettent au personnel d'accéder à l'unité de base à partir de l'intérieur de la tour. Dans une forme de réalisation, le Joint articulé est un Joint' à la cardan et l'accès à l'unité de base se fait par l'intermédiaire d'un unique tunnel étanche et souple, placé dans l'axe du Joint. Dans une autre variante de réalisation, le joint est un joint universel et le moyen d'accès est constitué d'un au moins (et par exemple de 6 ou 8) tunnels étanches et souples, adJacents au Joint. On peut facilement obtenir la souplesse des tunnels d'accès en incorporant à ces tunnels-au moins un élément de soufflet du type utilisé normalement dans les Joints de dilatation des tuyauteries. On peut trouver couramment des éléments de soufflets métalliques capables de supporter des pressions diffé 2 rentielles d'environ 206,7 TJ/cm2 et dont l'utilisation est par conséquent satisfaisante Jusqu a une profondeur marine d'environ 207 mètres. On peut construire des éléments de soufflets capables de supporter des pressions différentielles encore plus grandes mais leur souplesse et leurs diamètres intérieurs sont limités par les matériaux utilisés.Chaque élément de soufflet est généralement étudié pour supporter des déplacements oscillants atteignant environ 50 et lorsque des oscillations plus grandes sont à prévoir, on peut installer deux ou même trois éléments de ce type, en série, sur la longueur des tunnels. Be fait que la pression de l'eau soit régulièrement appliquée sur les surfaces extérieures de chaque élément de soufflet signifie que l'élément est capable de résister au "tortillement" et que sa robustesse s'en trouve renforcée. Par mesure de sécurité, chaque élément de soufflet comprend de préférence plusieurs parois de façon à ce que si l'une des parois se détériore, la ou les parois restantes puissent continuer à se comporter de façon satisfaisante. Comme mesure supplémentaires de sécurité, un fluide sous pression, par exemple une huile végétable, peut remplir l'espace séparant les deux parois les plus extérieures, et la pression de ce fluide peut être surveillée. Premièrement, une quelconque fuite de fluide due à certaines détériorations de l'étanchéité d'un élément de Joint peut être immédiatement décelée et deuxièmement, en pressurisant le fluide, la pression différentielle appliquée à la paroi la plus extérieure des éléments de soufflets peut être sensiblement réduite et la durée d'utilisation de l'élément prolongée. A titre de variante, ces espaces pourraient être laissés vides et la pression correspondante surveillée. Il est également possible d'installer un élément secondaire de soufflet de diamètre inférieur à l'intérieur de chacun des principaux éléments de soufflets de façon à éviter les risques de défaillance de la totalité d'un élément principal de soufflet. 'là encore, un fluide sous pression peut remplir l'espace séparant l'élément principal de soufflet et l'élément secondaire de soufflet. 'les dispositifs de flottaison peuvent commodément prendre la forme d'une chambre de flottaison qui fait intégralement partie de et se situe à l'extrémité de la tour, opposée à l'unité de base. Pour permettre le traitement du pétrole et constituer des installations de chargement ainsi que des moyens d'hébergement pour le personnel, on peut installer une plate-forme sur un prolongement de la tour devant s'élever'au-dessus du plus haut niveau que l'eau peut atteindre. Lors de l'exploitation d'un champ pétrolifère ou d'un champ de gaz, la présente structure peut être équipée d'installations ou de machines, situées dans l'unité de base et destinées à traiter le pétrole brut ou le gaz avant qu'il n'atteigne la tour. Dans ce cas, il est avantageux de prévoir des dispositifs de réduction de la pression de façon à éviter l'installation de conduites à haute pression entre l'unité de base et la surface de l'eau. Il est également possible de prévoir des installations de stockage du pétrole ou du gaz dans l'unité de base. Etant donné la limitation de la profondeur à laquelle les éléments de soufflets peuvent actuellement hêtre utilisés, l'unité de base peut comprendre une parti allongée qui porte le Joint et qui, lorsque l'unité de base repose sur le fond de la mer ou sur le fond d'un lac, monte verticalement au-dessus du fond marin de façon à ce que le Joint articulé arrive à une profondeur relativement faible de l'eau. L'invention porté aussi sur un gisement minier exploité en utilisant une structure sous-marine selon l'invention. On va maintenant décrire certaines formes de réalisations de la présente invention, uniquement à titre d'exemples non limitatifs en se référant aux dessins anfiexés dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation, partiellement en coupe, d'une structure sous-marine complète étudiée pour l'ex- ploitation du pétrole la figure 2 est une vue en coupe agrandie du Joint articulé de la structure de la figure 1 la figure 3 est une vue-en coupe encore agrandie de l'un des tunnels d'accès représentés sur la figure 2 ; et la figure 4 est une variante de l'unité de base de la structure représentée sur la figure 1 dans laquelle les installations de stockage du pétrole de l'unité de base ont été supprimées ; et la figure 5 est une vue éclatée d'une autre réalisation dans laquelle, le Joint articulé est un Joint à la cardan. L'unité de base représentée sur la figure 1, et généralement repérée par le chiffre 1 est constituée d'une pluralité de cuves de stockage du pétrole 2 et d'une installation de traitement 3 à laquelle l'accès est nécessaire. L'unité de base a une forme sensiblement cylindrique, toutes les alimentations arrivant en une position centrale 4. L'unité de base 1 peut s'appuyer solidement sur le fond de la mer ou du lac, grâce à la présence du ballast 5. En haut de l'unité de base 1, est fixée une tour creuse 6, qui monte verticalement et qui porte une chambre de flottaison 7 à son extrémité supérieure. La chambre de flottaison 7 est étudiée pour permettre à la tour 6, lorsqu'elle est attachée à 1' unité de base 1 et que l'unité de base 1 repose sur le fond de la mer ou du lac, de flotter en une position sensiblement verticale. A l'intérieur de l'extrémité inférieure de la tour, des dispositions permettent l'inclusion de ballast pour aider à arrimer la tour. La hauteur de la tour 6 est telle que si l'unité de base 1 repose sur le fond de la mer ou sur le fond d'un lac, la chambre de flottaison 7 atteint tout juste la surface de l'eau. La tour 6 est fixée à l'unité de base 1 au moyen d'un Joint universel 8 qui permet à la tour de s'écarter de-sa position verticale sous l'action du vent ou des vagues. Une plate-forme est supportée sur un prolongement de la tour 6 au-dessus de la hauteur maximale possible de l'eau ; sur cette plate-forme, sont prévus un générateur d'alimentation et des installations 9 et 10 d'hébergement du personnel. Des installations de traitement du pétrole comprenant une cheminée conique 11, une estacade de chargement des pétroliers 12, des pistes d'atterrissage d'hélicoptères sont prévues au niveau le plus élevé 13 de la plate-forme qui peut tourner. Le joint universel 8 à l'extrémité inférieure de la tour 6 est placé dans l'axe de la tour et six ouvertures d'accès sont disposées symétriquement autour de l'axe. Des ouvertures d'accès identiques sont prévues en haut de l'unité de base 1, de façon à ce que les axes des ouvertures correspondantes coïncident lorsque la tour est en position verticale. Les ouvertures correspondantes de chaque paire sont reliées, comme l'indique la figure 2, par un tunnel étanche et souple dont la souplesse est assurée par deux éléments primaires et deux éléments secondaires de soufflets 14 à parois multiples. Chaque jeu de soufflets est construit en alliage à base de nickel comme 1'INCONEL 625 ou 825 qui peut supporter des contraintes élevées et qui peut résister à la corrosion par l'eau de mer.On emploie une construction à trois ou quatre couches ; chaque couche ayant une épaisseur d'environ 1,27 mm. Chaque jeu de soufflets peut tolérer des déplacements oscillants atteignant environ 100 ou même 150, bien que la durée des éléments en soit alors réduite. Un fluide de remplissage, sous pression est introduit entre les parois de chaque élément de soufflet à parois multiples, la pression dans l'espace 15 entre les éléments primaires et secondaires de soufflets étant constamment surveillée en 16 comme l'indique la figure 3. Les tuyauteries du processus d'extraction et les tuyauteries d'alimentation qui sont repérées globalement par le numéro 17, sur la figure 3 passent de l'intérieur de la tour creuse 6 dans l'unité de base 1, par les tunnels d'accès. Des éléments de soufflets sont également inclus dans ces tuyauteries à l'endroit où elles traversent les tunnels de façon à tenir compte des déplacements oscillants de la tour. Bes trous d'accès 18 et des vannes à enclenchement rapide sont prévus aux deux extrémités de chaque tunnel et les tunnels d'accès sont compartimentés de façon à ce qu'un ensemble de contrôle des détériorations puisse fonctionner et sauver les opérateurs en cas de panne grave. Pour permettre dé transférer des pièces de grandes dimensions de l'intérieur de la tour 6 à l'intérieur de l'unité de base, le diamètre des ouvertures d'accès et des tunnels peut atteindre 3 m environ suivant les pressions différentielles et les mouvements angulaires à admettre. Des treuils ou des palans peuvent être installés à l'intérieur de la tour 6 pour descendre le personnel et les équipements jusqu'aulx tunnels d'accès. Mais, d'une façon générale, lorsque plusieurs tunnels sont prévus autour de l'axe du Joint, le mouvement de tout l'ensemble est plus important que s'il n'y a qu'un seul tunnel central et, par conséquent, les diamètres de chacun des tunnels multiples sont inférieurs à celui du tunnel unique. Les calculs d'étude effectués par des spécialistes de la fabrication des soufflets ont montré que dans le cas d'un tunnel central unique traversant un Joint à la cardan lorsque la pression différentielle appliquée est d'environ 206,7 N/cm2, il était possible de construire un soufflet multiple comme ceux qui ont été décrits ci-dessus ayant un diamètre intérieur d'environ 1,52 m. Si les efforts peuvent être répartis entre les soufflets primais et secondaires, c'est-à-dire si la pression interne peutêtre zen maintenue à environ 103,3 W/cm2, il est possible de construire un soufflet ayant un diamètre intérieur d'environ 2,03 a. Ces dimensions font partie des gammes normales des constructeurs. Si l'on prévoit un seul tunnel central, il se présente sensiblement comme celui de la figure 3, mais il n'est pas décalé d'un côté de l'axe du joint et la disposition des tuyauteries internes qui traversent ce tunnel est modifiée en conséquence. Une structure selon l'invention peut etre construite de façon satisfaisante pour le chargement des pétroliers en prévoyant une plate-forme dont la charge utile est de 3000 à 5000 tonnes et l'angle d'inclinaison maximal de 50 pour une profondeur d'eau de 213 m environ, plus une hauteur de vague de 30,5 m environ. Comme dispositif supplémentaire de sécurité, on peut installer des haubans amortisseurs 19 qui limitent les déplacements excessifs et ramènent les oscillations de la tour à une moyenne inférieure à 1,50 par rapport à la verticale. On peut également installer, soit sur la plate-forme, soit sur la chambre de flottaison, des tirants qui s'opposent au déplacement de la tour et de la plate-forme sous l'effet du vent et des vagues. La figure 4 représente une autre réalisation dans laquelle l'unité de base n'est pas équipée d'installations de stockage du pétrole. Dans ce cas, la hauteur de l'unité reposant sur le fond de la mer ou d'un lac est inférieure à la hauteur de l'unité correspondante qui serait équipée d'installations de stockage. Dans le cas d'une telle réduction de hauteur, si les éléments de soufflets devaient être utilisés à une profondeur d'eau qui dépasse leurs caractéristiques de construction, il faudrait prévoir sur le dessus de l'unité de base une partie allongée, comme l'indique la figure 4 de façon à ce que le joint articulé et ses éléments de soufflets associés puissent se situer à une profondeur d'eau relativement peu importante. Il existe couramment des éléments de Joints mécaniques pouvant être utilisés jusqu'à des profondeurs sous-marines d'environ 207 m, bien que ce chiffre ne puisse pas être considéré comme une limite absolue. La figure 5 représente une autre réalisation dans laquelle le Joint articulé 8 est un Joint du type à la cardan. Le Joint à la cardan est constitué d'un anneau massif 19 placé horizontalement sur lequel quatre tourillons de paliers 20 sont disposés symétriquement. Deux tourillons opposés sont soutenus par deux oreilles de fixation 21 portant des manchons de paliers grâce auxquels les deux tourillons peuvent pivoter autour d'un premier axe. 'les oreillers de montage 21 sont disposées dans la partie la plus haute de l'unité de base 1, lorsque cette dernière repose sur le fond de la mer. La seconde paire de tourillons opposés permet à l'vanneau massif 19 de pivoter autour d'un second axe perpendiculaire au premier, cette dernière paire de tourillons est assemblée à la partie la plus basse de la tour 6. Deux oreilles 22 sont prévues sur la tour, elles portent des coussinets de paliers correspondant aux tourillons 20. 1'unique tunnel étanche et souple permettant au personnel d'accéder à l'unité de base 1 à partir de l'intérieur de la tour 6, passe au centre de l'anneau de cardan 19 en laissant suffisamment d'espace rour permettre à la tour d'osciller dans une direction quelconque par rapport au Joint à la cardan, dans les limites imposées par la construction particulière de la structure sous-marine. Suivant une autre variante de construction, les quatre tourillons 20 et leurs manchons peuvent être remplacés par quatre raccords élastiques en élastomère qui sont fixés à l'anneau 19 et aux oreilles 21 et 22, ce qui permet un mouvement angulaire limité entre l'anneau et les oreilles. Une flexion des raccords au-delà de la limite de construction qui'est, par exemple de l'ordre de 200, détériore les raccords de façon définitive mais toutefois sans séparer la tour de l'unité de base. Comme on peut le voir, l'invention permet d'assurer des moyens d'accès pratiques et économiques depuis le niveau de la mer, par l'intermédiaire d'une tour articulée, à une structure d'exploitation ou d'hébergement placée sur le fond de la mer ou d'un lac, sous la pression sensiblement normale d'une atmosphère. Dans le cas de la réalisation décrite à titre d'exemple, la ventilation normale, la production d'énergie et l'aération des mélanges dangereux à la surface sont possibles et en outre, le transfert de grosses pièces d'équipements Jusqu'au niveau de la mer devient possible en appliquant une technologie classique, dans de bonnes conditions de sécurité et de fiabilité. On peut créer sous la mer des conditions ambiantes "normales" moins astreignantes pour le personnel devant travailler à ces profondeurs que les conditions possibles avec les systèmes classiques d'accès aux profondeurs sous-marines. REVENDICATIONS 7. Structure sous-marine à utiliser dans l'exploitation des gisements miniers situés au niveau ou au-dessous du niveau du fond de la mer ou d'un lac, cette structure étant constituée -d'une unité de base capable de reposer sur le fond de la mer ou d'un lac, à laquelle le personnel doit avoir accès, - d'une tour creuse fixee à une extrémité à l'unité de base et s'élevant au-dessus de cette unité Jusqu'à une hauteur suffisante pour que le haut de la tour atteigne sensiblement la surface de l'eau lorsque l'unité de base repose sur le fond de la mer, et - de dispositifs assurant la flottaison de la tour de manière à ce quelle flotte en position sensiblement verticale lorsqu'elle est fixée à l'unité de base et que l'unité de base repose sur le fond de la mer, caractérisée en ce que la tour est fixée à l'unité de base par un Joint articulé et en ce que des dispositifs sont prévus pour permettre au personnel d'accéder à l'unité de base, à partir de l'intérieur de la tour. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le Joint articulé est un Joint 'universel et en ce que les moyens sont constitués d'une pluralité de tunnels étanches et souples adJacents au Joint. 3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le Joint est un joint à la cardan et en ce que les moyens d'accès sont constitués par un tunnel étanche et souple traver sant le Joint. 4. Structure selon l'une des revendications 2 ou 3, caracté risée en ce que le tunnel ou chacun des tunnels comprend au moins un élément de soufflet. 5. Structure suivant la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément ou chacun. des éléments de soufflets est un élément à parois multiples. 6. Structure suivant la revendication 5, caractérisée en ce qu'un fluide sous pression remplit l'espace séparant les deux parois les plus extérieures de l'élément ou de chacun des élé ments de soufflets. 7. Structure suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le tunnel ou chacun des tunnels com prend au moins un Jeu de soufflets, le Jeu ou chacun des Jeux étant constitué d'au moins deux éléments de soufflets placés en parallèle l'un par rapport à l'autre. 8. Structure suivant la revendication 7, caractérisée en ce qu'un fluide sous pression remplit l'espace séparant les deux éléments de soufflets ou deux quelconques éléments de soufflets du ou de chacun des Jeux de soufflets. 9. Structure suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la tour comprend un prolongement à son extrémité éloignée de l'unité de base, ce prolongement portant une plate-forme servant à la manutention et/ou au traitement des minerais situés au niveau de, ou au-dessous du niveau sur lequel repose l'unité de base, cette plate-forme étant située au-dessus du niveau le plus élevé possible de la mer lorsque l'unité de base repose sur le fond de la mer. 10. Structure suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité de base comprend une partie allongée qui porte le joint articulé et qui, lorsque l'unité de base repose sur le fond de la mer, monte verticalement à partir du fond marin de façon à ce que le Joint articulé soit situé dans la mer à une profondeur relativement faible.