Brevet FR2511726A1 — publié le 19830225

La présente invention concerne des compensateurs de mouvement dans des installations de forage et d'exploita- tion pétrolière de haute mer Un type de compensateur de mou- vement est couramment appelé un "compensateur de tige de fora- ge" Des types de compensateurs de tiges de forage ont été décrits dans les brevets US NO 3 877 680 et US 3 804 183. Un autre type de compensateur de mouvement est communément appelé un "tendeur de colonne montante",des exemples de dispositifs de ce genre étant décrits dans les brevets US 3 908 963 et US 3 314 657. Des compensateurs de tiges de forage,des tendeurs de colonnes montantes et d'autres types de compensateurs de mouvement pour exploitations de haute mer présentent certai- nes caractéristiques communes La caractéristique la plus fondamentale consiste en ce que,dans des compensateurs de ce genre,il existe deux corps qui sont reliés entre eux pour exécuter un mouvement relatif, habituellement un mouvement télescopique,dans des directions généralement verticales Ces corps peuvent par exemple être un cylindre et un piston Un des corps,habituellement le piston ou la tige fixée sur lui, est relié à une structure de puits de haute mer,par exemple une tige de forage ou bien une ligne de colonnes montantes, tandis que l'autre corps est relié à une structure portante, telle qu'une plate-forme ou un navire de forage La structure de puits et la structure portante sont évidemment mobiles l'une par rapport à l'autre De tels mouvements produisent des mouvements correspondants entre les deux corps du compen- sateur Un moyen approprié est associé aux deux corps du compensateur pour s'opposer élastiquement à un mouvement relatif entre eux dans un premier mode directionnel Ce moyen peut être typiquement un fluide compressible, habituellement un gaz,interposé entre le piston et une extrémité du cylindre. Il est d'une pratique courante d'associer à chaque compensateur de mouvement de ce genre un indicateur de position qui fournit à l'opérateur une indication des positions relatives des corps du compensateur de manière que leurs mouvements relatifs puissent être observés et/ ou enregistrés De cette manière,il est possible de déterminer par exemple s'il est ou non nécessaire de temps à autre d'effectuer un réglage dans l'appareillage Les indicateurs de position connus sont affectés par un certain nombre d'incon- vénients Ils sont non seulement relativement compliqués,ce qui les rend coûteux et difficiles à utiliser ou à réparer mais également ils sont inappropriés en ce qui concerne la précision avec laquelle ils déterminent les positions rela- tives des corps du compensateur et par conséquent des structu- res de puits et portante auxquelles ils sont reliés. L'invention a pour but d'incorporer un sous- système relativement simple à un appareil de compensation de mouvement utilisable en haute mer pour servir d'indicateur de position audit appareil Ce sous-système comprend un dispositif du commerce pour produire un signal électrique qui est fonction d'une pression hydrostatique Plus spécifi- quement, il comprend un tube flexible pourvu à une extrémité d'un réservoir de liquide et à l'autre extrémité d'un dispo- sitif transmetteur sensible à la pression Le tube est rempli de liquide entre ses deux extrémités Une extrémité est mon- tée dans un des corps du compensateur tandis que l'autre ex- trémité,spécifiquement celle qui est associée au dispositif transmetteur, est montée sur l'autre corps généralement en dessous de l'extrémité du réservoir Quand les corps du compensateur se déplacent verticalement l'un par rapport à l'autre, la distance sépar ant les deux extrémités du tube flexible varie en faisant ainsi varier la pression hydrosta- tique à l'extrémité inférieureet par conséquent la grandeur - du signal produit par le dispositif transmetteur Ce signal électrique peut être transformé en une indication visuelle par des moyens bien connus. Du fait de la simplicité du sous-système d'indi- cation de position,il est relativement peu coûteux et facile de le réparer sur place Il est également d'un fonctionne- ment sûr puisque ni le courant nécessaire pour faire fonctionner l'émetteur,ni son signal de sortie,n'ont besoin d'être particulièrement élevés De même aucun impératif n'est imposé au liquide qui est contenu dans le tube flexible Un autre avantage important consiste en ce que ce type particulier d'indicateur de position peut être relativement aisément incorporé à théoriquement n'importe quel type compensateur de mouvement sans avoir à modifier essentiellement la conception de ce dernier Néanmoins, malgré sa simplicité et les avantages en résultant,l'indica- teur de position est bien plus précis que ceux utilisés typiquement dans ce domaine Par exemplesi la distance maxima- le entre les deux extrémités du tube est de 6 mètres,le degré de précision peut atteindre une valeur élevée de l'ordre de + 1,25 cm. En conséquencel'invention a pour but principal de fournir un compensateur de mouvement pour installation de haute mer,comportant un moyen indicateur de position perfec- tionné. L'invention a également pour but de fournir un compensateur de mouvement du type défini ci-dessus dans lequel le moyen indicateur de position comprend un appareil pour créer intrinsèquement et mesurer une pression hydrostatique et pour produire un signal qui est fonction de ladite pression. L'invention a également pour but de fournir un compensateur de mouvement dans lequel le moyen indicateur de position est relativement simple et peu coûteux tout en étant peu cou Ateux,sûr, d'une utilisation souple et d'une haute précision. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatifen référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig l est une vue en élévation verticale schémati- que d'une colonne montante pour installation pétrolière de haute mer,qui est associée à des éléments tendeurs conformes à la présente invention; Fig 2 est une vue en élévation à échelle agrandie d'un des éléments tendeurs de colonne montante de la figure 1; Fig 3 est une vue faite perpendiculairement à la figure 2; Fig 4 est une autre vue en élévation verticale à échelle agrandiedes parties étant indiquées en vue arra- chée,du sous-système indicateur de position de l'élément tendeur des figures 2 et 3; Fig 5 est une vue en élévation et en coupe partiel- le faite suivant la ligne 5-5 de la figure 4, et Fig 6 est une vue en élévation verticale d'un compensateur de tige de forage comportant un indicateur de position conforme à la présente invention. La figure 1 représentesous une forme simplifiée et schématiqueune plateforme de forage 10 flottant en haute mer La plate-forme 10 comporte des piliers 12 qui supportent la structure sur des pontons (non représentés) dans la masse d'eau 16 Un derrick 14 est supporté sur la partie supérieure de la plate-forme 10 En dessous de la plate-forme l 0,on a représenté l'extrémité supérieure d'une colonne mon- tante 18 qui s'étend vers le bas jusqu'à un puits sous-marin. Du fait que la colonne montante 18 est nécessai- rement flexible et qu'elle est disposée verticalement dans la masse d'eau 16,elle se déplace par rapport àla plate-forme En outre,ce qui est plus important,la plate-forme propre- ment dite monte et descend lorsqu'elle flotte sur la masse d'eau 16. Pour compenser ce mouvement relatifil est prévu deux compensateurs de mouvement opposés se présentant sous la forme d'éléments tendeurs 20 de tige de forage Il va de soi que, bien que deux éléments tendeurs 20 aient été représentés sur la figure 1, on peut en utiliser tout nombre approprié Chaque élément tendeur 20 est relié à la plate- forme 10 Plus spécifiquement,chaque élément tendeur com- prend un flasque supérieur 22 et un flasque inférieur 24 de- montage Le flasque inférieur 24 peut être boulonné ou fixé autrement rigidement sur un pilier 12 tandis que le flasque supérieur 22 est relié par une console portante 26 à la par- tie supérieure de la plate-forme 10 Chaque élément tendeur est en outre relié à l'extrémité supérieure de la colonne montante 18 à l'aide d'un câble flexible 28 Deux consoles sont dirigées vers le bas à partir du côté inférieur de la plate-forme 10, chaque console 30 portant une poulie 32 Chacun des câbles 28 est fixé par une extrémité sur l'extrémité supérieure de la colonne montante 18,il est enroulé autour d'une des poulies 32 et il s'étend ensuite jusqu'à l'extrémité inférieure de l'élément tendeur 20 correspondant. Sur les figures 2 et 3,on a représenté de façon plus détaillée un exemple d'élément tendeur 20 Cependant il va de soi que le sous-système indicateur de position peut être appliqué à de nombreux types différents d'éléments tendeurs L'élément tendeur 20 comprend un cylindre 34 orienté verticalement dans l'ensemble L'expression "orienté vertica- lement dans l'ensemble "et des expressions correspondantes seront utilisées pour signifier que l'axe longitudinal du composant en question est orienté de telle sorte qu'il possè- de au moins une composante d'orientation essentiellement verticale Un piston 36 est disposé à l'intérieur du cylindre 34 et la tige 38 est fixée sur ce piston s'étend vers le haut de manière à sortir par au travers de l'extrémité supérieure du cylindre 34 L'étanchéité entre cette extrémité de cylindre 34 et la tige de piston 38 est assurée par un moyen classique (non représenté) Un ensemble de poulies, comprenant un support 40 et des poulies 42 et 44 qui sont montées à rotation sur le support 40 à l'aide d'un arbre 46, est fixé rigidement sur l'extrémité inférieure du cylindre 34. Le flasque de montage 24 décrit ci-dessus est fixé rigide- ment sur le support 40 I, ensemble de poulies un peu semblable,comprenant un support 48 et des poulies 50 et 52 montées à rotation sur le support 48 à l'aide d'un arbre 54 est fixé sur l'extrémité supérieure de la tige de piston 38. Le câble 28 passe sur la poulie 42,sur la poulie 52,puis il descend de manière à passer en dessous de la pou- lie 44 pour remonter ensuite et passer sur la poulie 50 et finalement il s'étend vers le bas de façon que son extrémité soit fixée sur le support 40,et par conséquent sur le cylindre 34 En conséquence,du fait que le cylindre 34 est fixé rigi- dement sur la plate-forme 10,comme décrit ci-dessus,la colon- ne montante 18 est supportée partiellement et efficacement par le piston 36 et par sa tige 38 Un mouvement de la colon- ne montante 18 par rapport à la plate-forme 10 provoque,ou a tendance à provoquer un mouvement correspondant de la tige 38 et du piston 36 par rapport au cylindre 34 En conséquence, dans le cadre de la présente description,on peut dire que le piston 36 et la tige 38 sont effectivement reliés à la colon- ne montante 18,bien que les points de contact de l'ensemble de poulies 48,50,52 avec le câble de liaison 28 varient. Pour supporter élastiquement le piston 36 à l'intérieur du cylindre 34,et par conséquent pour s'opposer élastiquement à un mouvement relatif du piston et du cylin- dre dans un premier mode directionnel,à savoir un mouvement de descente du piston et/ou un mouvement de montée du cylin- dre, il est prévu un fluide compressible, de préférence un gaz comprimé, dans la partie inférieure du cylindre 34 en dessous du piston 36 Ce gaz sous pression est fourni par un réservoir 56 monté sur le cylindre 34 par l'intermédiaire de consoles 58 et 60 et communiquant avec l'extrémité inférieure du cylindre 34 à l'aide d'un conduit 62 Par réglage de la pression du gaz dans le réservoir 56 et dans la partie inférieure du cylindre 34,1 Pélément tendeur 20 peut être ajusté de manière à opposer un degré désiré de résistance au mouvement relatif du piston 36 et du cylindre 34 dans le premier mode directionnel mentionné ci-dessuset pour s'opposer par conséquent à un mouvement relatif de la colonne montante 18 et de la plate-forme 10 En même temps, du fait que le gaz est compressible et que la résistance opposée au mouvement est par conséquent élastique,ce mouve- ment est autorisé quand les forces atteignent une certaine 251 1726 grande ur;cela empêche une rupture du câble 28 ou bien un autre dommage ou accident En conséquence on peut dire que l'effet de l'élément tendeur 20 est de maintenir dans des limites données la tension régnant dans le câble 28. En se référant à nouveau à la figure l,on peut voir que les deux éléments tendeurs 20 sont opposés et ont tendance à résister à un mouvement latéral de la colonne montante 18 dans des directions opposées En conséquence,les deux éléments tendeurs 20,coopérant l'un avec l'autremaintien- nent la colonne montante 18 généralement centrée par rapport à la plateforme de forage 10 ainsi que par rapport au puits situé en dessous. Pour assurer une protection contre un mouvement exagérément rapide du piston 36,en particulier dans le cas d'un accident tel que la rupture d'une des canalisations de fluide ou d'une autre partie de l'appareil,un fluide à basse pression peut être introduit dans l'extrémité du cylindre 34 correspon- dant à la tige de piston,d'une manière bien connue Ce fluide peut être un liquidetel que de l'huile, refoulé dans le cylindre par un gaz légèrement comprimé,tel que-de l'air Un réservoir 64,monté sur le cylindre 34 par l'intermédiaire des consoles 66 et 68 et communiquant avec l'extrémitétige du cylindre 34 par un conduit 70,contient l'air comprimé et l'huile et assure une décharge de l'huile quand le piston 36 se déplace vers le haut dans son cylindre 34. En fonctionnement, il est souhaitable que l'opéra- teur puisse déterminer la position du piston 36 à l'intérieur du cylindre 34 Dans ce but,conformément à la présente invention,l'élément tendeur 20 est pourvu d'un indicateur de position perfectionné,désigné dans son ensemble par la référen- ce 72. L'indicateur de position 72 a été représenté de façon plus détaillée sur les figures 4 et 5 Cet indicateur de position comprend un réservoir de liquide 74 monté par l'intermédiaire d'un support approprié 76 sur le support 48, plus grand et qui est porté par la tige de piston 38 Une extré- mité d'un tube flexible 78 est reliée par l'intermédiaire d'un raccord approprié au réservoir 74 L'autre extrémité du tube 78 est reliée à un compartiment d'une chambre 80 qui est divisée en deux par un diaphragme (non représenté) La partie de la chambre située sur le côté opposé du diaphragme 82 est reliée fonctionnellement à un dispositif transmetteur 84 Le sous-ensemble 80,84 est d'un type disponible dans le commerce,par exemple celui fabriqué par la Société Fisher O Porter sous la désignation "Electronic Differential Pressure Transmitter" type 5 ODPF 100 En conséquence sa struc- ture et son fonctionnement ne seront pas décrits en détail dans la suite En bref,du courant électrique est fourni au dispositif transmetteur 84 par un conducteur schématisé en 86.L'unité 80 détecte la pression exercée sur le diaphragme, et par conséquent la pression hydrostatique régnant sur ou à proximité de l'extrémité adjacente du tube 78,et le dispo- sitif transmetteur 84 transforme cette pression variable en un signal électrique correspondant qui est fonction de cette pression Le signal électrique est appliqué,par l'intermé- diaire d'une ligne indiquée schématiquement-en 88,à un dispositif de lecture approprié-,tel qu'une jauge 90,qui peut être placée en un endroit approprié sur la plate-forme portante 10 en vue de son observation par un opérateur Le réservoir 74 et la chambre 80 sont pourvus de conduits de décharge appropriés (non représentés). L'unité 80,84 est montée sur l'extrémité supérieure d'un carter 92 qui est lui-même relié au cylindre 34 dans une position telle que, étant donné les limitations normales de course du piston 36,1 'unité 80,84 et l'extrémité corres- pondante du tube 78 soient toujours situées à un niveau plus bas que l'autre extrémité du tube 78 et le réservoir 74. Cependant,comme l'extrémité supérieure du tube 78 est reliée à la tige de piston 38 tandis que son extrémité inférieure est reliée au cylindre 34, un mouvement relatif entre le piston et le cylindre fait varier la distance verticale séparant les deux extrémités du tube 78,et par conséquent la pression hydrostatique s'exerçant sur l'extrémité inférieure du tube. En conséquence,la pression détectée par l'unité 80,et le signal produit par le dispositif transmetteur 84,varient en fonction de la distance séparant le piston 36 du cylindre 34. Pour absorber un mou dans le tube 78,celui-ci est enroulé sur un moufle mobile 96,qui comprend une poulie 96 b et une console 96 a montée de façon à pouvoir coulisser dans le carter 92 Cette structure retient également une partie substantielle du tube 78 à l'intérieur du carter 92, o elle est en outre protégée contre un dommage, un emmêlement,etc. Le liquide se trouvant dans le réservoir 74,et qui remplit à son tour le tube 78,peut être un produit courant et sans danger,par exemple de l'éthylne-glycol En conséquence, si le tube 78 se rompt ou se détache,il n'en résulte aucun effet perturbateur En outre,un tel incident peut être réparé aisément et de façon peu coûteuse Néanmoins le degré de précision de l'indicateur de position est extrêmement élevé,en particulier par comparaison aux dispositifs connus. Par exemple,si la limite supérieure de la plage d'espacement entre les deux extrémités du tube 78 est de 6 m,les indica- tions de la jauge 90 peut avoir une précision atteignant environ + 1,25 cm. En considérant maintenant la figure 6,on voit que l'invention est appliquée à un type différent de compensateur de mouvement,à savoir un compensateur pour tige de forage. Pour d'autres détails concernant la structure,l'envrionnement et le fonctionnement de compensateurs de ce typeon pourra se référer aux brevets US 3 877 680 et US 3 804 183 En bref le compensateur comprend un chassis 98 qui est suspendu par un moufle 100 et un câble 102 à une structure portante de haute mer,telle qu'un derrick porté par un navire de fora- ge,un élément semi-submersible ou semblable Sur le châssis 98 sont rigidement fixés deux cylindres parallèles 104 qui contiennent chacun un piston dont un est visible en 106 Les tiges de pistons 108 sortent des extrémités supérieures des cylindres 104 et portent des ensembles de poulies respectifs Pour chaque ensemble piston-cylindre,il est prévu un câble 112 Chaque câble 112 est fixé par une extrémité sur le châssis 98 et il part de celui-ci vers Le haut de manière à passer sur la poulie d'un ensemble associé 110 pour des- cendre ensuiteson autre extrémité étant fixée sur une traver- se 114,mobile par rapport au châssis 98 La traverse 114 porte un crochet 116 auquel la tige de forage est finalement suspendue. On voit par conséquent que le châssis 98 et les cylindres 104 fixés sur celui-ci sont reliés à la structure portante tandis que la tige de forage est effectivement supportée par les pistons 106 et en conséquence on peut considérer dans l'application correspondante qu'elle est reliée auxdits pistons Comme dans le cas de l'élément tendeur de colonne montante décrit ci-dessus,l'extrémité fermée ou inférieure du cylindre 104 est alimentée en air comprimé pour supporter élastiquement le piston 106 et s'opposer ainsi à un mouvement relatif du piston et du cylindre dans un mode qui fait intervenir un mouvement de descente du piston ou bien un mouvement de montée du cylindre De mêmecomme pré- caution de sécuritéel'extrémité supérieure,correspondant à la tige de pistonde chaque cylindre 104 peut contenir un fluide à basse pression qui peut être refoulé dans les récipients 118 lors d'un mouvement de montée du piston 106. Le sous-ensemble indicateur de position peut être associé à l'un ou l'autreou bien le cas échéant aux deux éléments constitués par le piston et le cylindre 104,106. L'indicateur de position est essentiellement identique à celui représenté sur les figures 4 et 5 En bref,il comprend un carter 92 ' fixé rigidement sur le cylindre 104 et il porte à son extrémité supérieure un émetteurdétecteur de pression représenté schématiquement en 84 ' Un réservoir de liquide 74 ' est porté par l'ensemble de poulies 110 de manière à se déplacer avec le piston 1 U 6 et la tige de piston 108 Le réservoir 74 ' et l'unité 84 ' sont reliés entre eux par un tube flexible 78 ' La partie médiane du tube 78 ' est dirigée vers le bas de façon à pénétrer dans le carter 92 ' o elle s'enroule sur un moufle mobile 96 ' Comme dans le mode de 1 l réalisation précédemment décrit,du fait que la différence d'espacement entre les deux extrémités du tube 78 ' varie à cause d'un mouvement relatif du piston 106 et du cylindre 104,la variation de pression hydrostatique à l'extrémité inférieure du tube 78 est transformée par l'unité 84 ' en un signal électrique qui est transmis par une ligne (non repré- sentée) à un dispositif de lecture approprié. REVENDICATIONS l.Appareil de compensation de mouvement destiné à être disposé entre une structure portante et une structure de puits d'une installation de haute mer,cette structure de puits étant mobile par rapport à ladite structure portante, caractérisé en ce qu'il comprend: -un premier et un second corps ( 48,34)qui sont reliés à ladite structure portante et à ladite structure de puits de manière qu'un mouvement relatif entre lesdites struc- tures provoque un mouvement relatif entre les corps de l'appa- reil,lesdits corps étant en outre reliés entre eux pour exé- cuter un mouvement relatif suivant des modes directionnels généralement verticaux, -des moyens associés auxdits corps del'appareil compensateur pour s'opposer élastiquement à un mouvement relatif entre eux dans un premier mode directionnel, -et un moyen indicateur de position associé auxdits corps et comprenant: un récipient flexible ( 74,78,80) relié par une extrémité à un desdits corps de l'appareil compensateur et relié par l'autre extrémité à l'autre corps de l'appareil généralement en dessous de ladite première extrémité,ledit récipient étant rempli d'un liquide entre lesdites extrémités, et un moyen de transmission ( 84) sensible à la pression qui est associé à ladite autre extrémité ( 80) dudit récipient et qui agit de manière à produire un signal qui est fonction de la pression hydrostatique s'exerçant sur ladite autre extrémité dudit récipient. 2 Appareil selon la revendication l,caractérisé en ce que ledit signal est électrique et en ce que ledit appa- reil comprend en outre une source de courant reliée fonction- nellement audit moyen de transmission. 3 Appareil selon la revendication 1 ou 2,caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un moyen de lecture ( 90) relié fonctionnellement audit moyen de transmission pour produire une lecture variable avec ledit signal. 4 Appareil selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit récipient est un tube flexible allongé( 78). Appareil selon la revendication 4,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un réservoir de fluide ( 74) relié à ladite première extrémité dudit récipient. 6 Appareil selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen ( 96) pour absorber un mou dans ledit tube. 7 Appareil selon la revendication 6,caractérisé en ce que ledit moyen pour absorber un mou dans ledit tube comprend un moufle mobile ( 96) avec le tube enroulé autour de la poulie dudit moufle. 8 Appareil selon la revendication 7,caractérisé en ce qu'il comprend en outre un carter ( 92) entourant ledit moufle et une partie dudit tube. 9.Appareil selon la revendication 8,caractérisé en ce que ledit carter ( 92)est porté par ledit autre corps ( 34) de l'appareil compensateur et en ce que ledit moyen de transmission est monté sur ledit carter. I 10 Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite structure de puits est une tige de forage. ll.Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite structure de puits est une ligne de colonne montante ( 18). 12 Appareil selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit premier corps de l'appareil compensateur comprend un piston ( 36,106) et en ce que ledit autre corps de l'appareil compensateur comprend un cylindre ( 38,104) recevant ledit piston. 13 Appareil selon la revendication 12,caractérisé en ce que ledit moyen s'opposant élastiquement à un mouvement comprend un fluide compressible interposé entre ledit piston et une extrémité dudit cylindre.