Brevet FR2505924A1 — publié le 19821119

L'invention concerne la production de pétrole sur une plate-forme flottante, et plus particulièrement un ensemble à colonnes montantes pour conduites d'écoule- ment multiples Dans la production de pétrole à partir de puits sousmarins, il est nécessaire de conduire le pé- trole jusqu'à la surface pour le dégazer avant de le di- riger par pompage vers un autre emplacement Un ensemble à colonnes montantes conçu à cet effet est décrit dans Early Subsea Production System" par B H van Bilderbeek, page 131, dans APEA journal, 1977 Cet ensemble comprend une colonne montante centrale constituant un élément de structure,et un certain nombre de colonnes montantes péri- phériques d'écoulement, espacées de façon annulaire autour de la colonne centrale Cette dernière peut être utilisée pour renvoyer le pétrole traité vers le fond de la mer afin qu'il soit dirigé vers un pipe-line sous-marin. Ces conduites d'écoulement sont maintenues espa- cées autour de la colonne montante à plusieurs hauteurs par des croisillons fixés à la colonne centrale Un joint flexible, proche de l'extrémité inférieure de la colonne centrale, et des tuyaux flexibles proches des extrémités inférieures des colonnes d'écoulement, permettent de sui- vre les mouvements de la plate-forme flottante. Un ensemble inférieur comprend le joint flexible et les tuyaux flexibles Cet ensemble est emmanché sur un connecteur de colonne qui le retient vers le bas, de manière amovible, et maintient également l'ensemble sur les raccords des conduites de production La récupération de l'ensemble ou de l'un quelconque des tuyaux flexibles s'effectue par débranchement de la colonne centrale et enlèvement de la totalité de l'ensemble. Des colonnes périphériques individuelles de pro- duction sontemmanchées sur l'extrémité supérieure du tuyau flexible de l'ensemble à l'aide d'un connecteur à verrouillage mécanique et déverrouillage hydraulique Chaque conduite d'écoulement peut être retirée après débranchement du con- necteur, mais le tuyau flexible ne peut pas être ainsi re- tiré. Etant donné que l'ensemble à colonne peut flé- chir sur un angle de l'ordre de 100 autour du joint fle- xible situé à l'extrémité inférieure de la colonne centra- le, les tuyaux flexibles doivent avoir suffisamment de mou pour suivre le mouvement différentiel provoqué par cette flexion Il en résulte la formation d'une grande boucle d'expansion qui a donc un diamètre relativement faible li- mitant l'utilisation d'outils pompés. Etant donné que les tuyaux flexibles sont soumis à une flexion importante, ils constituent les éléments les plus sujets aux remplacements Dans cet agencement antérieur, il est nécessaire de retirer la totalité de l'ensemble à colonne et d'élever l'ensemble inférieur pour remplacer même un seul de ces tuyaux Non seulement la totalité du disposi- tif doit être retirée, mais la production doit être arrêtée dans toutes les conduites. L'invention concerne une colonne centrale portant à son extrémité inférieure un connecteur principal de ver- rouillage qui peut être relié à un embout de colonne centrale ancrée dans le fond de la mer Plusieurs colonnes de produc- tion sont espacées de façon annulaire autour de la colonne centrale et comportent chacune un tuyau flexible à leur ex- trémité inférieure Un ensemble à réductions est fixé au connecteur principal de verrouillage et il comporte plusieurs réductions de conduites d'écoulement, et un bâti écartant ces réductions du connecteur principal L'extrémité inférieure de chaque tube flexible comporte un tenon destiné à un con- necteur actionné hydrauliquement et permettant le branchement sélectif des réductions des conduites d'écoulement Les co- lonnes de production et la colonne centrale sont tendues in- dépendamment les unes des autres. Grâce à la présence du tenon de connecteur à libé- ration hydraulique, situé à l'extrémité inférieure du tuyau flexible, l'une quelconque des colonnes de production peut être libérée et retirée indépendamment des autres colonnes sans perturber ces dernières Un seul tuyau flexible peut donc être remplacé Un outil de descente, de flexibilité limitée, peut raidir le tuyau lors de la descente de la colonne de production, offrant ainsi un guidage suffisant pour permettre le passage dans les divers entonnoirs de croi- sillons et pour rejoindre la connexion inférieure Cet outil de descente doit être retiré après la réalisation de la con- nexion. Chaque conduite est tendue individuellement, ce qui évite d'avoir à former un grand coude d'expansion de faible rayon Des outils pompés peuvent donc être mis en circulation dans les systèmes à colonnes de production. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale partielle de l'ensemble à colonne de production selon l'invention; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe longitudinale partielle de la zone d'une réduction de conduite d'écoulement; et la figure 4 est une coupe partielle, analogue à celle de la figure 3, dans le cas d'une déviation de 100 et alors qu'un outil de descente est introduit dans une conduite d'écoulement. Un embout 10 de colonne centrale est fixé au fond de la mer et est installé dans un châssis de guidage perma- nent 12 qui comprend une plaque de base 14 Les conduites 16 d'écoulement, qui proviennent normalement d'autres puits de production, sont fixées en un emplacement prédéterminé à la plaque de base 14, de manière qu'un embout vertical 18 fasse saillie vers le haut de chaque conduite d'écoulement L'em- bout 10 de la colonne centrale comporte, à son extrémité su- périeure, un élément mâle d'un accouplement, présentant des gorges 20 de verrouillage Une colonne centrale 22 comporte, à son extrémité inférieure, un connecteur 24 de verrouillage qui est un élément femelle comportant des cliquets de ver- rouillage actionnés hydrauliquement qui se verrouillent dans les gorges 20 et en sont libérés sous l'action d'une pression hydraulique Cette connexion de verrouillage est réalisée au moyen d'un connecteur principal de verrouillage qui est ainsi appelé afin d'être distingué des connecteurs secon- daires décrits ci-après, Cette colonne centrale peut être utilisée pour transporter du pétrole traité à la surface vers un pipe- line sous-marin, ou bien elle peut constituer uniquement un élément de structure Un joint flexible 26, situé à peu de distance au-dessus du connecteur principal de verrouil- lage, permet un mouvement angulaire de 100 de la colonne centrale La colonne montante est formée de tronçons de tube de quinze mètres, reliés par des connecteurs 28 de colonne A des hauteurs prédéterminées, la colonne porte également des croisillons 30 qui maintiennent des enton- noirs 32 de guidage espacés annulairement autour de la co- lonne montante centrale Cette dernière est maintenue ten- due à partir de la plate-forme flottante, de préférence au moyen d'un tensionneur de colonnes à compensation de mouve- ment. Plusieurs colonnes montantes 34 de production en- tourent de façon annulaire la colonne centrale et sont main- tenues écartées de cette dernière par des manchons 36 de cen- trage, à des hauteurs qui correspondent à celles des enton- noirs 32 de guidage. Les colonnes ou conduites de production sont de préférence tendues par des tensionneurs 38 de conduite qui sont montés sur une plate-forme 40 de support elle-même sup- portée par la colonne centrale 22 Grâce à cet agencement, il suffit à la course du tensionneur des conduites d'écoule- ment d'être suffisante pour rattraper les différences de longueur utile entre les colonnes de production et la co- lonne centrale, différences résultant de la flexion du sys- tème autour du joint flexible 26 Des câbles sont reliés à un certain nombre de tensionneurs de colonnes à course totale qui supportent la charge de la colonne centrale 32 Les co- lonnes de production peuvent évidemment, en variante, être tendues chacune par un tensionneur indépendant pour chacune des conduites 34 d'écoulement. Chaque conduite ou colonne 34 de production se termine, à son extrémité inférieure, par un tenon 42 de connecteur de verrouillage secondaire Ce tenon est ver- rouillé sur un connecteur femelle 44 de verrouillage qui renferme des cliquets 43 de verrouillage actionnés hydrau- liquement et qui est situé à l'extrémité supérieure d'une réduction 46 de conduite Lorsqu'il est verrouillé, ce con- necteur ne peut être libéré par une traction exercée sur la conduite d'écoulement, mais cette dernière peut être coupée à cet emplacement par un retrait hydraulique des cliquets et l'enlèvement de la conduite Tous les joints de pression sont de préférence disposés dans le tenon 42 du connecteur de la conduite d'écoulement, car cette partie du connecteur peut être plus aisément libérée et remontée à la surface pour tous travaux nécessaires d'entretien. Le tenon 42 de verrouillage et la partie femelle 44 de verrouillage forment ensemble un connecteur secondaire de verrouillage L'une ou l'autre des moitiés de ce con- necteur secondaire, c'est-à-dire le tenon ou la partie fe- melle, peut être portée par la colonne montante 34, l'autre moitié étant disposée sur la réduction 46 La caractéristi- que importante est la possibilité de verrouiller et de dé- verrouiller à distance le connecteur secondaire. Le tronçon inférieur de chaque colonne 34 de pro- duction est formé d'une certaine longueur de conduit fle- xible 47 Ce conduit se présente sous la forme d'un tube blindé, et il est en général du type "Coflexip", tel qu'il- lustré à la page 1702 de l'ouvrage "Composite Catalogue of Oil Field Equipement",-1978-1979, publié par Word Oil. Ce conduit permet la flexion des colonnes montantes de pro- duction lorsqu'une telle flexion se produit autour du joint flexible 26 de la colonne montante centrale La flexion de ce conduit se produit à un rayon suffisant pour permettre le passage d'outils pompés. Chaque colonne montante 34 de production peut être retirée séparément, y compris le tronçon constitué du con- duit flexible Le remplacement de l'élément flexible peut donc être effectué sans qu'il soit nécessaire de fermer ou de récupérer en totalité l'ensemble à colonnes montantes de production. Le centreur 49 le plus bas de chaque colonne de production peut être constitué d'un accouplement reliant le conduit flexible au conduit dur classique Ce centreur est également plus long que les centreurs supérieurs 36. L'extrémité inférieure de la réduction 46 est destinée à s'ajuster en coulissant sur l'embout 18 de la conduite d'écoulement et elle renferme des joints 50 Ces derniers sont de préférence disposés à l'intérieur de la réduction, car celle-ci peut être plus facilement remontée à la surface que l'extrémité de la conduite 16 d'écoulement. La réduction 46 de la conduite d'écoulement est maintenue appliquée vers le bas, contre l'embout 18, à l'encontre des forces exercées vers le haut par l'ensemble 52 à réductions, qui sera décrit plus en détail ci-après. L'ensemble 52 comprend plusieurs éléments qui sont fixés au raccord principal 24 de verrouillage, à une certaine distance de ce dernier Il s'ensuit que le verrouillage du connecteur principal fixe tous les éléments de l'ensemble à réductions en position, tandis que le déverrouillage du con- necteur permet le retrait de tous ces éléments. Un corps 54 de connecteur de verrouillage est fixé au connecteur principal 24 de verrouillage et porte, à son extrémité supérieure, une plaque horizontale 56 et, à son extrémité inférieure, une plaque horizontale 58 Des plaques d'entretoisement sont soudées entre les plaques supérieure et inférieure pour accroître la raideur et la rigidité de l'ensemble à réductions. La réduction 46 de conduite d'écoulement est bou- lonnée ou soudée sur la plaque inférieure 58 de manière à être portée par cette dernière et à faire partie de l'ensem- ble à réductions De plus, un entonnoir inférieur 62 de guidage est fixé à la plaque supérieure 56 Cet entonnoir sert à guider la conduite de production lorsqu'une conduite individuelle peut être descendue et rebranchée. On peut donc voir que l'appareil tel que décrit jusqu'à présent permet à chacune des conduites 34 de pro- duction d'être débranchée individuellement comme souhaité pour des opérations d'entretien, par actionnement des con- necteurs secondaires 44 de verrouillage Cependant, en cas d'urgence, s'il faut débrancher en totalité l'ensemble du système à colonnes de production, le raccord principal 24 de verrouillage peut être débranché et l'ensemble des do- lonnes peut être remonté Le système se divisera alors suivant un plan P-P de séparation (figure 1), la colonne centrale se divisant dans le connecteur de verrouillage et des conduites des colonnes de production se divisant à la connexion coulissante inférieure La chute de la pression hydraulique appliquée aux vannes de sécurité des conduites d'écoulement, comme décrit ci-après, provoque alors automa- tiquement la fermeture des conduites d'écoulement. Le système décrit est un système à câbles de gui- dage, dans lequel des montants 64 de guidage sont également fixés au châssis permanent 12 de guidage Les câbles 66 de guidage s'élèvent de ces montants jusqu'à la plate-forme flottante - L'ensemble 52 à réductions comprend des cônes 68 de guidage qui sont fixés rigidement à la plaque supérieure 56 ou à la plaque inférieure 58 du châssis, de manière à être maintenus à une distance fixe du connecteur principal 24 de verrouillage En plus de leur fonction normale con- sistant à guider l'ensemble vers les connexions appropriées, les cônes de guidage assument une fonction supplémentaire dans cet appareil Pendant la descente de la colonne mon- tante centrale et lorsque cette dernière porte avec elle l'ensemble 52 à réductions, chaque connexion de conduite d'écoulement glisse de manière étanche sur les embouts 18 des conduites En cas de coincement apparaissant sur cer- tains des embouts, l'ensemble à réductions peut avoir tendance -2505924 à s'incliner et, le cas échéant, à se coincer Les cônes de guidage tendent à s'opposer à l'inclinaison de l'ensemble à réductions. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, le sys- tème représenté comprend six conduites 34 de production et deux conduites 70 d'injection et de service Ces conduites d'injection et de service peuvent comporter un raccord se- condaire 44 de verrouillage, si cela est souhaité, afin qu'il soit possible de les débrancher séparément, ou bien elles peuvent dépendre totalement d'une connexion coulis- sante telle que celle réalisée à l'extrémité inférieure de l'ensemble à réductions des conduites d'écoulement. Un clble ombilical 72 de commande hydraulique est également maintenu à distance de la colonne montante centra- le Dans la forme de réalisation représentée, on suppose qu'il n'est pas souhaitable de libérer séparément le câble ombilical et, par conséquent, aucune connexion verrouillable n'est prévue Le câble est plutôt prolongé par l'extrémité inférieure d'un bottier 74 de commande conçu pour s'ajuster étroitement dans un logement 76 destiné à le recevoir Cette extrémité inférieure 74 du câble ombilical fait partie de l'ensemble à réductions et elle est fermement fixée à ce der- nier de manière que le verrouillage du connecteur principal bloque le câble ombilical dans le logement 76 Des connexions disposées de façon appropriée entre le bottier de commande et le logement permettent l'écoulement d'un fluide hydraulique et sa commande par les diverses conduites de commande pour actionner diverses vannes montées dans les tuyauteries fixées à demeure sur le fond de la mer Des vannes de sécurité peu- vent être placées dans chacune des conduites d'écoulement de manière que, en cas de débranchement au niveau du logement, la pression hydraulique disparaisse, ce qui provoque une fer- meture automatique des vannes de sécurité et empêche l'écou- lement du pétrole à l'extérieur des conduites. La commande hydraulique des connecteurs 24 et 44 de verrouillage est de préférence réalisée par des conduits à revêtement dur disposés entre le câble ombilical 72 et les divers connecteurs Un conduit 78 de commande est branché entre une connexion 80 du câble ombilical et une connexion 82 du connecteur principal de verrouillage On peut voir que ces deux éléments font partie de l'ensemble à réduc- tions et qu'ils se déplacent donc ensemble La commande hydraulique du connecteur principal est donc constamment possible. Une conduite 84 de commande est branchée, au moyen de tubes rigides, entre une connexion 86 réalisée à l'extré- mité inférieure de la conduite ombilicale, et une connexion 88 réalisée sur l'embout 46 de la réduction Elle présente, en aval, des orifices internes traversant le connecteur 44 de verrouillage afin de permettre l'actionnement des cliquets disposés à l'intérieur de ce dernier Il faut l'application d'une pression hydraulique pour verrouiller et déverrouiller la connexion. Lors de la descente de l'ensemble de production, la colonne montante centrale 22 est abaissée en portant les croisillons 30 et l'ensemble 52 à réductions Le boîtier de commande hydraulique 74 est également porté par l'ensemble a réductions L'embout 46 des réductions des conduites d'écoule- ment est descendu avec l'ensemble à réductions Les cônes 68 de guidage coulissent sur les montants 64 de guidage afin d'orienter l'ensemble, et un raccordement guidé est réalisé per le connecteur 24 de la colonne montante centrale sur l'embout 10 de la colonne centrale et par l'emboîtement des embouts 46 des conduites d'écoulement sur les embouts 18 Le boîtier 74 de commande hydraulique glisse dans le logement 76 La commande hydraulique des cliquets du connecteur principal 24 de verrouillage est réalisée au moyen de la conduite 78 de commande, ce qui verrouille l'ensemble à réductions en po- sition. Les colonnes 34 de production peuvent à présent être abaissées en passant dans les entonnoirs de guidage et raccordées et guidées sur les extrémités supérieures des réductions de conduites d'écoulement, les tenons des connec- teurs secondaires de verrouillage se bloquant dans le con- necteur 44 de verrouillage des réductions. En cas d'urgence nécessitant le débranchement de toutes les colonnes, le connecteur principal 24 de verrouil- lage est déverrouillé et la totalité de l'ensemble est éle- vée, la séparation se produisant au niveau du plan P-P Le conduit flexible 47 est soumis à des flexions répétées et il constitue donc l'élément pouvant demander les remplace- ments les plus fréquents Selon l'invention, un conduit flexible séparé peut être remplacé sans que la colonne mon- tante centrale ou les autres colonnes montantes de production en soient affectées Les cliquets 43 actionnés hydraulique- ment, faisant partie du connecteur secondaire approprié 44 de verrouillage, sont rétractés La colonne de production choisie et son conduit flexible peuvent ensuite être reti- rés. Lorsque la colonne 34 de production doit être descendue, un outil 90 de descente, représenté sur la figure 4,peut être placé à l'intérieur du tronçon de la colonne constitué par le conduit flexible Des cliquets 92, disposés dans une tête 94, se verrouillent dans des ouvertures 96 afin de supporter l'outil Ce dernier se présente essentiel- lement sous la forme d'une tige allongée, de flexibilité limitée, et il a pour effet de raidir le conduit flexible pendant la descente de la colonne Le conduit flexible doit être maintenu suffisamment droit pour s'engager dans les en- tonnoirs successifs pendant la descente de la colonne, et il doit permettre une flexion forcée suffisante pour que le connecteur puisse être aligné lorsque l'ensemble du système fléchit autour du joint flexible 26 de la colonne centrale. L'outil représenté est constitué de plusieurs tronçons cylindriques rigides 98 reliés les uns aux autres par des joints universels 100 à mouvement limité Une tige semi-rigide en matière plastique peut être utilisée, en va- riante Le centreur 49 le plus bas est de longueur suffi- sante pour établir un contact complet avec les deux extré- mités de l'entonnoir 32 de guidage, quel que soit l'angle de flexion du joint flexible 26 Ceci assure l'alignement axial de la colonne en cours de descente, de manière que la dimension de l'entonnoir 62, qui intercepte la colonne, puisse être déterminée de façon fiable. Après le verrouillage du connecteur 44, l'outil de descente est retiré au moyen d'un outil 101 de récupé- ration classique à câble L'outil de récupération s'enclen- che avec un crochet 102 Une traction exercée vers le haut sur ce crochet libère les cliquets 92, permettant la récu- pération de l'outil 90 de descente. Le connecteur 44 commandé à distance étant dis- posé au-dessous du tuyau flexible, l'extrémité supérieure de ce dernier peut se déplacer librement dans la direction verticale par rapport à la colonne montante centrale 22 Une grande boucle d'expansion (qui présente donc un faible rayon) est inutile, ce qui permet le passage d'outils pom- pés, nécessitant un rayon minimal de 1,5 mètre Il est éga- lement possible de retirer un tuyau flexible d'une colonne unique de production afin de le remplacer, sans interrompre ou arrêter la production des autres colonnes. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'ensemble décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Ensemble à colonnes montantes de production conduisant le pétrole jusqu'à une plate-forme flottante, caractérisé en ce qu'il comporte une colonne montante cen- trale( 22),un raccord principal ( 24) de verrouillage fixé à l'extrémité inférieure de la colonne centrale, plusieurs colonnes montantes ( 34) de production disposées en anneaux autour de la colonne centrale, un conduit flexible ( 47) formant le tronçon inférieur de chaque colonne de produc- tion, une plaque ( 14) de base ancrée au fond de la mer, un embout ( 10) de colonne centrale, orienté verticalement, fixé à la plaque de base et destiné à se verrouiller avec le con- necteur principal de verrouillage, plusieurs embouts verti- caux ( 18) de conduite d'écoulement fixés à la plaque de base et espacés de façon annulaire autour de l'embout de la co- lonne centrale, plusieurs connecteurs secondaires ( 44) action- nés hydrauliquement, un ensemble ( 52) à réductions comprenant ledit connecteur principal de verrouillage, plusieurs réduc- tions ( 46) de conduites d'écoulement destinés à former des joints coulissants avec les embouts correspondants de con- duites d'écoulement, à leurs extrémités inférieures, et com- portant à leurs extrémités supérieures la moitié de chaque connecteur secondaire, et un châssis qui maintient fixement les réductions à distance du connecteur principal de verrouil- lage, l'autre moitié de chaque connecteur secondaire étant située à l'extrémité inférieure du conduit flexible associé. 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens ( 38) destinés à tendre séparément chacune des colonnes montantes de produc- tion et la colonne montante centrale. 3 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble à réductions comprend également plu- sieurs entonnoirs inférieurs ( 62) de guidage des colonnes montantes de production, maintenus espacés du connecteur principal de verrouillage et en alignement axial avec les réductions des conduites d'écoulement. ?Ko 57 4 4 Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la colonne montante centrale comporte un joint ( 26) qui peut fléchir angulairement, situé à peu de dis- tance au-dessus du connecteur principal de verrouillage, des entonnoirs supplémentaires ( 32) de guidage disposés au-dessus du joint flexible et fixés à distance de la co- lonne centrale, à plusieurs niveaux, ces entonnoirs étant alignés axialement avec les entonnoirs inférieurs de gui- dage des colonnes de production. 5 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un outil tubulaire et allongé ( 90) de descente de flexibilité limitée, des moyens ( 92, 94, 96) destinés à supporter cet outil de descente à l'intérieur du conduit flexible, et des moyens ( 101, 102) destinés à libérer et récupérer l'outil de descente après la fixation d'une colonne de production correspondante.