Brevet FR2502240A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne un ensemble col- lecteur sous-marin pour colonne montante destiné à la ma- nutention du pétrole et/ou du gaz produit dans des puits forés en haute mer. Les développements récents de l'industrie pétro- lière et gazière au large des côtes ont étendu la produc- tion de ces fluides à des zones sous-marines, par exemple sur les franges externes des plateaux continentaux et sur les pentes continentales, et on considère que la production sous-marine constitue le procédé le plus avantageux en pra- tique pour l'extraction de ces gisements formés sous l'eau. Bien que l'exploitation des hydrocarbures soit actuellement la considération principale, il faut noter que des gisements de soufre ou d'autres matières minérales, présents sous l'eau, peuvent aussi être extraits du fond des mers. Bien que les installations permanentes formées en surface mais supportées au fond des mers se soient révélées intéressantes aux points de vue de la rentabilité et de la technologie, dans les eaux relativement peu profondes, leur utilisation doit être limitée à des conditions très particulières dans le cas des eaux profondes, par exemple à des profondeurs de plusieurs centaines ou milliers de mètres. Les installa- tions dépassant la surface de l'eau présentent aussi des inconvénients même pour de faibles profondeurs d'eau lorsque les conditions régnant à la surface sont difficiles, par exemple dans les zones dans lesquelles les plates-formes de production formées au-dessus de la surface et supportées sur le fond par des structures convenables peuvent subir des forces exercées par les glaces. On peut réaliser des ensembles de production et de collecte sous-marins par installations de têtes de puits ou de groupes de puits à plusieurs emplacements dans une zone du fond de la mer. Des conduites d'écoulement des fluideE de production, des fluides d'injection et des fluides hydrau- liques de commande peuvent par exemple être placées sur le fond de la mer, entre des emplacements éloignés et un point central permettant le raccordement à une colonne mon- 2 24 0 tante de production, reliant un ensemble eo!!ecteur à une installation en surface. Des satellites:aLitabes peuve-nt être entretenus à prox4mité des strur:.: :_s..e s z puits ou des ensembles collecteurs, -; - ersnne] de fonctionnement et d'entretien, cor.un e: ' d ans le bre-et des Etats--:Jnis d'Amérique n 3 520S.: =-.pi f e. installation satellite qui a déeà é...-t cns- titué par un collecteur atmospëer!irL,-u_,- p::c lonne montante qui contient un ese-!. L: e fu- de destiné à relier plusieurs c -.' _-:.: i e colonne de producLion. Un tel ensei:. r '!s ou- vriers peut avoir une ckambre e.ta_::-e. _- rant les vannes et canalisations c...-: ;. ee n a,.,e de conmuande peimettant l'entr:Le L: -:a.:-. tions très difficiles régnanu tun.....us-main, Une telle chambre de collecteur qui. n rer.- en'e collecteur relié à plusieurs puits Ji,-: ? -. n avoir de grandes dimensions et n... .. une intégrité élevée afin qu'eile ? -. -.=:. ' ro- statique régnant à grande profondeur,.- : m ti- ple él.evé de la presslon externe. L:c:%--,_. ?';:'' -.. aussi pouvoir entretenir la vie ' 7 f te 'Sit ns périodes si bien que l.es press:iorJns:nt::s dien --e ga- les à la pression atmosphérique ou r e cel le-ci. Les ensembles collecteurc à.o.orne monta: te n'ont pas été utilisés de façon satisfaiîsaite ci-i}es ci'.. î =ts de collecte de fluide de grandes c;..e s.-t don ies conditions très sévères de raccordement ci. co] onne mol- tantc de production destinée à supporter des charges élevées à un ensemble collecteur sous-marin de grande dimension, desservant plusieurs puits. Des progr-s récents effectués dans la conception des colonnes montantes de productir- (comme décrit par exemple dans le brevet des Etats-Uni d'Amérique n 4 182 584) permettent la formation d'un tron- çon inférieur relativement fixe de colonne montante, sup- porté par flottaison à un emplacement immergé afin que la turbulence de l'océan soit évitée, et un tronçon souple relié à un navire de production. Le point de raccordement de la colonne montante supportée par un flotteur doit sup- porter une force considérable au niveau de la base marine. Compte tenu des forces verticales et de fléchissement de la colonne montante dues au courant dans les océans, atteignant de nombreuses dizaines de milliers de Pascal, on a considéré qu'une connexion mécanique directe, encaissant les forces entre le tronçon de colonne de production et la chambre du collecteur n'était pas possible en pratique. L'invention concerne un ensemble collecteur sous- marin fiable raccordé à une colonne montante, capable de supporter des conditions très sévères imposées au raccor- dement d'une colonne montante importante et capable de trans- mettre des fluides provenant de plusieurs puits placés sous la mer et transmis à une colonne montante marine de produc- tion. Plus précisément, l'invention concerne un ensemble collecteur sousmarin à colonne montante destiné à transmettre des fluides de plusieurs puits sous-marins à une colonne mon- tante marine de production, comprenant un châssis de base placé au fond de la mer, ayant plusieurs guides depieux destinés à fixer le châssis sur le fond de la mer, une chambre collectrice étanche montée sur le châssis entre les guides de pieux et entourant des collec- teurs destinés à relier les puits à la colonne montante lors du fonctionnement, et un organe do support et d'entretoise, placé au- dessus de la chambre collectrice et destiné à recevoir et supporter la colonne montante marine de production, cet or- gane d'entretoise ayant une partie supérieure formant une plate-forme de coopération avec la colonne montante et des bras robustes montés entre la partie formant la plate- forme et les guides des pieux disposés sur le châssis. La chambre collectrice est de préférence un réci- pient cylindrique étanche et placé horizontalement, avec un dispositif destiné à maintenir une atmosphère à basse pression à l'intérieur. L'organe d'entretoise du collecteur a avan- tageusement une paire de bras d'entretoise de chaque côté de la chambre collectrice, chaque bras étant dirigé vers l'ex- térieur et vers le bas depuis la plate-forme, vers les gui- des des pieux, avec une configuration en étoile, et les bras transmettent les forces exercées par la colonne montante aux supports des pieux. Habituellement, la plate-forme est pla- cée verticalement à une certaine distance de la coque de la chambre collectrice et a au moins une ouverture d'accès per- mettant le raccordement d'un conduit d'une colonne montante de production dans la chambre collectrice. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de.réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective d'un ensemble col- lecteur sous-marin à colonne montante selon l'invention t la figure 2A est une élévation latérale de l'en- semble de la figure 1, avec des groupes de conduites d'écou- lement retirées en partie par raison de clarté; la figure 2B est une vue en plan du même ensemble; la figure 2C est une vue de bout de l'ensemble de la figure 1; la figure 3 est une coupe en plan de la chambre- collectrice, représentant un appareil interne de manutention interne de fluides; la figure 4 est une élévation latérale d'une par- tie de l'organe d'entretoise, représentant le raccord d'une colonne montante de production à l'ensemble collecteur; la figure 5 est une vue en plan suivant les flèches de la figure 4; et la figure 6 est une coupe d'une partie de l'organe d'entretoise et de la chambre. Sur les dessins, l'ensemble collecteur est repré- senté en perspective sur la figure 1; plusieurs conduites 10 d'écoulement sont raccordées de manière qu'elles permettent la communication de fluide avec plusieurs têtes de puits ou groupes de puits (non représentés) qui ont subi un complètement à une certaine distance du point central de rassemblement des hydrocarbures. Chacune des conduites 10 d'écoulement peut comprendre un groupe de conduites individuelles, destinées à transmettre les fluides produits, les fluides d'injection, des canalisations d'entretien, des canalisations hydrauli- ques et des canalisations diverses. Les conduitesd'écoule- ment sont fixées à une chambre collectrice 20, en position fixe permettant le raccordement sous-marin après l'installa- tion de la chambre 20 qui est supportée sur le fond de la mer par un châssis 30 de base qui a une structure de sup- port et des guides 35 de pieux.Un organe 40 d'entretoise représenté en forme étoilée ayant une paire de bras 42 de chaque côté de la chambre 20 est fixé aux guides 35 afin qu'il supporte une plate-forme supérieure 45. Une colonne de production est raccordée à la plate-forme horizontale afin qu'elles se transmettent mutuellement des efforts et que les forces de la colonne montante soient transmises aux pieux sans que la coque 25 de la chambre 20 de structure dé- licate subisse des forces importantes provenant de la co- lonne montante, car cette chambre peut avoir à supporter une pression hydrostatique très importante à des profondeurs de quelques centaines ou quelques milliers de mètres au-dessous de la surface de la mer. Des conduites individuelles il par- tent des conduites d'écoulement 10 et sont raccordées à l'ensemble collecteur par des raccords convenables 12, ha- bituellement au moment de la pose de la conduite d'6coule- ment entre l'emplacement à distance d'une tête de puits et l'ensemble collecteur. Des tronçons fixes 15 de canalisation partant des raccords 12 permettent la circulation du fluide vers les organes 115 de pénétration dans la coque (voir fi- gure 3) montés à certains intervalles le long de chaque côté de la coque 24 de la chambre allongée 20. La chambre collectrice a une partie centrale ho- rizontale et longue, une pièce 26 de commande et des passa- ges 28 d'accès permettant le transfert du personnel de fonc- tionnement et d'entretien provenant d'un navire sous-marin (non représenté). La chambre peut être construite afin qu'el- le soit solidaire de la base et elle peut être montée comme un tout par battage de pieux et mise à niveau d'une première extrémité, puis par montage de deux pieux latéraux formant une configuration triangulaire. Les figures 2A, 2B et 2C sont respectivement une élévation latérale, une vue en plan et une vue de bout de l'ensemble collecteur et elles représentent certaines carac- téristiques plus en détail. Le châssis 30 peut avoir des ré- servoirs 32 de ballast facilitant la manutention pendant le remorquage et l'installation de la structure. Le chàssis de base est en général une structure métallique rectiligne soudée ouverte ayant un châssis métallique tubulaire externe 34, des traverses augmentant la rigidité et plusieurs gui- des 35 de pieux placés autour de la périphérie du chIssis. L'ensemble interne de manutention de fluide d'un exemple d'ensemble collecteur atmosphérique sous-marin tel que décrit précédemment et tel que représenté sur la figure 3 permet le raccordement des conduites individuelles des conduites d'écoulement 10 à leurs terminaisons, aux canali- sations de la colonne montante de production. Divers cou- rants de pétrole produit, de gaz, d'injection et hydrauli- ques peuvent ainsi circuler par l'intermédiaire de vannes et canalisations respectives, prévues individuellement en fonc- tion des programmes prévus de production. - La coque externe 24 de la chambre collectrice 20 représentée en coupe horizontale sur la figure 3, entoure une chambre atmosphérique dans laquelle est maintenue une atmosphère inerte empêchant les explosions, par exemple une atmosphère d'azote. Les conduits provenant de chacun des raccords de quatre puits placés à distance par exemple traversent la coque 24 qui résiste à la pression par des dispositifs 115 de pénétration qui y sont soudés et qui forment un arrangement rectiligne si bien que la manutention est plus commode. Les canalisations de pétrole formant le produit et d'autres conduits provenant de chaque puits sont raccordés aux connexions respectives 152 de la colonne de production. Des vannes internes permettent la transmission successive ou combinée de fluide en fonction des programmes de production. On utilise aussi des vannes commandées à distance et/ou manuellement le cas échéant. L'ensemble d'entretien de la vie dans les parties habitables de l'ins- tallation peut être raccordé à la surface par un ou plusieurs conduits compris dans le groupe de la colonne montante et transmettant de l'air, évacuant l'atmosphère vicié, assu- rant les communications et assurant l'alimentation en énergie. La structure de support de la colonne montante ou organe 40 d'entretoise est directement soudé sur quatre des guides 35 de pieux.De cette manière, les forces de la colonne montante sont transmises essentiellement aux pieux et n'ont qu'une influence minimale sur le reste du châssis. La construction ouverte des pieds et la construction en caissons rigidifiés de la plate-forme, à la partie supé- rieure-, donnent une résistance suffisante aux contraintes exercées par la colonne montante et réduisent au minimum les fléchissements dus au déplacement de la partie supé- rieure de la colonne montante. La plate-forme supérieure se trouve à une distance prédéterminée de la coque 24 afin qu'elle laisse un accès qui peut être nécessaire pour l'inspection et/ou l'entretien des connexions de la colonne montante. Un organe central 51 (voir figure 4) transmettant les efforts de la colonne montante 50 est rac- cordé à la structure de support de la colonne montante et pas directement à la coque. En conséquence, l'essentiel des forces est encaissé par le châssis 30 de base et non par la chambre 20. La plate-forme de la structure supérieure de sup- port a aussi un entonnoir 46 d'entrée du tronçon inférieur de la colonne montante, cet entonnoir 46 dirigeant l'organe 51 d'encaissement de force vers un dispositif de verrouilla- ge. Les conduites 52 de la colonne montante passent à travers cet appareillage et se raccordent directement à la chambre 20 en en recevant les fluides. Comme l'indiquent les figures 4 et 5, l'entonnoir 46 facilite le passage de l'organe central 51 d'encaissement de force dans la colonne dans la structure de support de celle-ci. L'entonnoir 46 peut être renforcé par des goussets 47 placés entre sa surface et la structure de support. Des trous 48 de l'entonnoir 46 permettent le passage des conduites individuelles 52 et des groupes de conduites. Deux petits entonnoirs 29 destinés aux condui- tes séparées et aux groupes de conduites peuvent être in- corporés à la coque 24. Des couvercles rétractables 49 de poche de pénétration peuvent être utilisés pour la protec- tion de l'ensemble avant l'installation des différents élé- ments de la colonne montante. Après l'installation de l'en- semble collecteur, une technique avantageuse de fixaion de la colonne montante comprend d'abord la disposition d'un organe central 51 d'encaissement de force, formant l'ime de la colonne montante et qui peut constituer le principal organe d'encaissement de force de la colonne 50. L'organe central peut être un conduit de transmission de fluide ou non et, à titre illustratif, on l'a représenté uniquement comme élément d'encaissement de force, raccordé mécanique- ment à la plate-forme 45 mais ne pénétrant pas dans la cham- bre 24. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 4 182 584 et 4 194 568 décrivent des exemples d'éléments de colonne montànte de production. L'organe central 51 est de préfé- rence verrouillé sur la plate-forme 45 par un connecteur 54 à commande hydraulique comme indiqué sur la figure 6. Une -colonne montante à flotteur peut alors exercer une force de traction vers le haut sur la partie raccordée de colonne montante. Les autres conduits 52 peuvent alors être abaissés en position à distance de l'organe central 51. Comme les conduites 52 peuvent être supportées par le flotteur, une force relativement faible doit être transmise entre les conduites 52 et la coque 24 si bien que la chambre collec- trice sous-marine peut constituer un réservoir résistant de manière fiable à la pression, sans risque de surcharge. Les conduites 52 aboutissent à des joints métal-métal à pas à gauche. Les terminaisons inférieures représentées sur la figure 6 sont des douilles remplaçables placées dans la coque 24, au-dessus de robinets d'arrêt placés dans la coque comme indiqué dans la partie la plus basse de la figure 6. On choisit des pas à gauche pour ce raccordement de ma- nière que le couple maximal d'un train de tiges tournant à droite puisse être utilisé pour la déconnexion des cana- lisations. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. 1 REVENDICATIONS 1. Ensemble collecteur sous-marin à colonne montante destiné à transmettre des fluides de plusieurs puits sous- marins à une colonne montante marine de production, carac- térisé en ce qu'il comprend un châssis de base (30) placé au fond de la mer et ayant plusieurs guides (35) de pieux destinés à fixer le châssis au fond de la mer, une chambre collectrice étanche (20) montée sur le châssis entre les guides des pieux et entourant des collec- teurs destinés à relier les puits sous-marins à la colonne montante de production, et un organe de support et d'entretoise (40) disposé audessus de la chambre collectrice et destiné à recevoir et supporter la colonne montante de production, l'organe d'entretoise (42) ayant une plate-forme supérieure (45) de coopération avec la colonne montante et des bras résistants (42) montés entre la plate-forme et les guides des pieux sur le châssis. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre collectrice (20) comporte un récipient cy- lindrique étanche (24) résistant à la pression et placé ho- rizontalement, ainsi qu'un dispositif destiné à entretenir une atmosphère à basse pression dans la chambre. 3. Ensemble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'organe d'entretoise (40) a une paire de bras d'entretoise (42) des deux côtés de la chambre col- lectrice (24), chaque bras dépassant vers l'extérieur et vers le bas vers des guides (35) de pieux depuis la plate- forme (45). 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plate-forme (45) est distante verticalement de la chambre collectrice (24) et a au moins un orifice d'accès permettant le raccordement d'un conduit d'une colonne montante de production à un collecteur placé dans la chambre collectrice (24).