Brevet FR2545782A1 — publié le 19841116

- Structure marine flexible et mince pour la production d'hydrocarbures et l'amarrage des bateaux en haute mer La présente invention se rapporte à une structure qui peut être installée en haute mer et qui peut supporter, à son sommet, des installations pour diverses activités industrielles en pleine mer, étant en particulier avanta- geusement utilisables comme plateforme de production d'hydrocarbures et point d'amarrage et de chargement pour les pétroliers à des profondeurs dépassant 1000 m. Des structures telles qu'un derrick à croisillons et un derrick articulé ont été proposées et conçues pour la production des hydrocarbures en haute mer Le derrick à croisillons, étant une "structure déformable" avec sa première période intrinsèque au-delà de la plage des pério- des des vagues (> 30 s) et sa seconde période intrinsèque en-dessous ( une profondeur de 500 m. Cette structure semble également trop compliquée, sophistiquée et ainsi trop coûteuse pour permettre son utilisation pour étendre la production dans des champs pétrolifères et gazeux marginaux (moyens-petits). 2 - Le derrick articulé présente l'inconvénient de posséder un organe mécanique critique, c'est-à-dire son joint de base universel, dans une zone qui est inacces- sible à une inspection directe et à un entretien Par ail- leurs, la discontinuité de structure constituée par ledit joint universel signifie que les conduits d'alimentation en huile qui passent le long de ladite structure doivent également comprendre des articulations pour permettre la rotation de la structure Si la structure est utilisée comme plateforme de production, cette configuration ne permet pas aux têtes de puits d'être disposées vers la surface, mais nécessite au contraire l'utilisation de têtes de puits sous-marines, conduisant à une réduction con- sidérable de la fiabilité du système et à une augmentation importante des prix d'installation et de fonctionnement. Pour l'ancrage des bateaux en haute mer, certains des auteurs de la présente invention ont breveté (demande de brevet en France N O 82/12312 déposée le 13 juillet 1982) un concept d'une structure monolithique flexible ayant une chambre de flottaison proche de son sommet, et présentant certai- nes analogie apparentes avec la structure proposée ici. La structure correspondant au brevet ci-dessus a sa première période intrinsèque au-delà de la période des vagues (> 30 s) et sa seconde endessous de la période des vagues avec une teneur en énergie sensible " 7 s) Ce comportement dynamique limite l'application du concept à une profondeur d'eau pouvant dépasser 500-600 m. Enfin, son procédé de fabrication et d'installa- tion, nécessitant sa construction, son transport et son installation en une seule pièce monolithique, constitue en lui-même une limite à la profondeur pouvant être at- teinte Un autre concept qui semble avoir une certaine analogie avec la présente invention est la bouée d'ancrage 3 - SALM qui est composée de corps partiellement immergés de bouées qui sont reliés au fond de la mer par une échelle verticale mise sous tension par la poussée exercée, sur la bouée, vers le haut Ce procédé ne peut être étendu à la haute mer parce que dans un tel cas, afin de garantir la rigidité nécessaire du système d'amarrage contre une traction horizontale, il faut appliquer une très haute tension (plusieurs milliers de tonnes) à la ligne d'ancra- ge, et un élément du type chaîne ne peut en aucun cas résister à cela. La structure selon l'invention comprend essentiel- lement un long élément tubulaire cylindrique vertical qui est relié, par des éléments terminaux profilés, vers le bas à une large base et vers le haut à une chambre de flottai- son qui elle-même supporte un réseau émergeant portant les installations à son sommet. La base de fondation peut être stabilisée soit par l'effet de son propre poids ou par des pieux enfoncés dans le sol. La colonne tubulaire et ses éléments terminaux inférieur et supérieur peuvent être construits en acier, en béton armé, en composants composites (acier-béton-acier) ou autres matériaux. La chambre supérieure de flottaison a pour but de placer l'élément tubulaire vertical sous une tension importante et de garantir ainsi que la structure pourra suffisamment s'opposer aux forces horizontales appliquées vers son sommet. En comparaison aux systèmes de bouées SALM, la présente invention, lorsque l'on utilise un tube d'acier comme élément vertical de mise sous tension, permet 4 - d'atteindre des tensions très élevées de l'ordre de 10 000 tonnes ou plus, offrant ainsi la rigidité nécessaire géné- rale du système même à des profondeurs de la mer dépassant 1000 m. Le réseau supérieur émergeant, relié rigidement à la chambre de flottaison, supporte à son sommet les ins- tallations requises pour lesquelles la structure est utili- sée. Le conduit ou les conduits qui transportent le pétrole brut du fond de la mer à la surface passent le long de l'axe de la structure, soit à l'intérieur ou à l'exté- rieur-de cette dernière et sont ainsi supportés La partie centrale de la colonne tubulaire a une section transversale constante, et en utilisation, elle n'est soumise pratique- ment qu'à un effort axial à la traction Les éléments ter- minaux inférieur et supérieur de raccordement sont cepen- dant également soumis à des efforts considérables de flexion aussi bien statiques que dynamiques, et leur rigidité augmente vers le joint afin de pouvoir supporter ces efforts de flexion. La structure interne est construite en quatre pièces séparées, dont la première est constituée par la base de fondation et l'élément terminal inférieur, la seconde par la moitié inférieure de la colonne cylindrique, la troisième par la moitié supérieure de la colonne cylin- drique et la quatrième par la chambre de flottaison reliée à une extrémité à l'élément terminal supérieur et à l'au- tre extrémité au réseau émergeant Dans des buts de trans- port, les seconde et troisième pièces sont insérées télés- copiquement respectivement dans les première et quatrième pièces Dans des buts d'installation sur place, les pièces télescopiques sont retirées et reliées ensemble et aux deux autres pièces, c'est-à-dire les pièces inférieure et - supérieure, par des colliers de serrage ou fixations méca- niques qui se trouvent dans des zones non soumises à des moments de flexion et qui réétablissent la continuité complète de la structure à partir du fond de la mer jus- qu'à la surface Contrairement aux derricks articulés, la continuité de structure de la présente invention per- met aux conduits d'alimentation en huile de passer le long de la structure d'une manière structurellement continue comme dans le cas des structures fixes conventionnelles, et ainsi dans le cas d'une utilisation comme plateforme de production, les têtes de puits peuvent être disposées sur la plateforme de surface. Cela rend la structure proposée adaptée à l'ex- ploitation de champs pétrolifères et gazeux marginaux (moyens-petits) dans des mers très profondes, à la fois parce que cela représente une conception de très faible prix et parce que cela permet d'utiliser les mêmes instal- lations et méthodes d'utilisation que celles déjà utilisées dans les structures fixes en mer peu profonde. Il faut également noter que la méthode proposée de transport et d'installation, avec la structure divisée en pièces maintenues téléscopiquement ensemble, permet d'atteindre une profondeur bien plus importante que dans le cas de structures monolithiques semblables Dans la technique courante, les structures marines ont un compor- tement dynamique caractérisé par des périodes intrinsèques très courtes ( derricks à croisillons ont leur première période intrinsè- que plus longue que les périodes des vagues et leur secon- de période intrinsèque plus courte que la période des vagues, avec une teneur appréciable en énergie. 6 - Au contraire, de ce point de vue, la structure selon la présente invention ne présente aucune limite En vertu de sa très haute flexibilité, son comportement dyna- mique est très proche de celui d'un câble tendu ou bien de celui d'une colonne de forage mise sous tension à son sommet, et elle peut par conséquent également résister à des périodes intrinsèques se trouvant dans la plage des périodes des vagues (typiquement de 7 à 20 s) sans phéno- mène conséquent de résonance créant des états inacceptables de contrainte Une configuration typique de cette structure pour une profondeur de la mer de 1000 m présente les pério- des intrinsèques qui suivent: T 1 = 90 s, T 2 = 20 s, T 3 = 12 s, T 4 = 8 s, o l'on peut voir que les périodes T 2 et T 3 peuvent produire un phénomène de résonance par le fait qu'elles se trouvent nettement dans la plage des périodes des vagues Une analyse dynamique et soignée a montré que de tels phénomènes de résonance étant en réali- té très faibles, à la fois du fait du degré élevé d'amor- tissement du mouvement de la structure dans l'eau et parce que les forces des vagues varient le long de la verticale (F 2, F 3 sur la figure 2) d'une façon s'opposant à la forme du mode de vibration (M 2, M 3 sur la figure 2) correspondant à la période de résonance. Sur la figure 1, l'élément central tubulaire de section transversale constante est divisé en deux parties, une partie supérieure 1 et une partie inférieure 2 Les deux parties sont reliées ensemble par une connexion mécanique 3 La partie supérieure est reliée par une con- nexion mécanique 4 à l'élément terminal supérieur de con- nexion 5 La partie inférieure est connectée par une con- nexion mécanique 6 à l'élément terminal inférieur de con- nexion 7. Lesdites connexions mécaniques sont utilisées pour relier les diverses parties ou pièces de la structure 7 - pendant le stade de l'installation, et sont telles que lorsque la connexion est faite, elles forment une conti- nuité de structure entre les éléments. La stabilité de la structure au fond de la mer est obtenue par l'ensemble de base de fondation, qui se compose d'une structure réticulée d'éléments tubulaires 8 et de bases de fondation 9. Si l'on utilise la méthode gravimétrique, les bases de fondation doivent contenir le lest nécessaire pour garantir la stabilité au fond de la mer Comme alter- native à cette méthode, la stabilité peut être obtenue par des pieux de fondation enfoncés dans le sol. L'élément terminal supérieur de connexion est rigidement relié à la chambre de flottaison positive 10 qui se trouve à proximité de la surface de la mer. La structure il qui émerge, reliée à la chambre de flottaison, se compose d'une structure réticulée d'élé- ments tubulaires ou d'un seul élément tubulaire A l'ex- trémité supérieure de la structure qui émerge est instal- lée la plateforme 12 contenant les installations néces-i saires à l'utilisation de la structure Les conduits 13 de transport du pétrole brut du fond de la mer à la sur- face passent le long de l'axe de la structure sur toute sa longueur. On donnera 'ci après une description du procédé de construction, de transport et d'installation de la structure selon l'invention Comme la structure est de forme télescopique et qu'elle est subdivisée en deux structures à relier ensemble surlelieu de l'installation, l'installation peut être effectuée en deux périodes dif- férentes de temps En se référant à la figure 3, les stades de formation sont comme suit stade I, la partie inférieure de l'élément tubulaire central de section transversale constante 2 est insérée dans la structure inférieure qui est formée de la base de fondation 8, 9 et de l'élément terminal inférieur de connexion 7 La pre- mière sous-structure assemblée de cette façon est trans- portée horizontalement (stade II) Au stade III, certains compartiments sont progressivement inondés afin de faire tourner la structure jusqu' à une position verticale flottant de manière stable. En lestant encore avec de l'eau (stade IV), cela permet de l'installer au fond de la mer à l'aide de moyens disposés en surface. A ce point, la stabilité de la structure au fond de la mer doit être garantie et cela, dans le cas de la méthode gravimétrique, soit en introduisant du lest soli- de dans les bases de fondation ou, si les bases contien- nent déjà du lest, en inondant les chambres de flottaison des bases qui avaient été maintenues vides pendant le transport. Dans le cas de la méthode utilisant les bases à pieux, les pieux doivent être enfoncés afin de garantir la stabilité de la structure sous toutes conditions de la mer Au stade VI, la partie supérieure de l'élément cen- tral 1 de section transversale constante est insérée dans la sousstructure supérieure formée à partir de l'élément terminal supérieur de connexion 5, de la chambre de flot- taison positive 10 et de la structure réticulée qui émerge 11. La seconde sous-structure assemblée de cette façon est transportée horizontalement (stade VII). 9 2545782 Au stade VIII, on inonde progressivement certains compartiments, afin de faire tourner la structure jusqu'à une position verticale o elle flotte de manière stable. Au stade IX, on soulève la partie inférieure de l'élément central 2 contenu à l'intérieur de la sous-structure inférieure en la tirant à partir de la surface, jusqu'à ce que la connexion mécanique 6 déjà préétablie entre ledit élé- ment et l'élément terminal inférieur de connexion soit réalisée. En même temps, en inondant les compartiments appropriés et en s'aidant de treuils disposés à l'intérieur de la chambre de flottaison, on abaisse la partie supérieure de l'élément central 1 contenu dans la sous-structure supérieure jusqu'à ce que la connexion mécanique 4 déjà préétablie entre ledit élément de l'élément terminal supérieur de connexion soit réalisée. A ce point, en inondant partiellement la chambre de flottaison, la sousstructure supérieure est forcée à émerger jusqu'à ce que la connexion mécanique 3 entre les deux sous-structures soit réalisée. A la fin de cette opération, l'eau du lest est retirée de la chambre de flottaison pour donner, à la structure, sa tension finale de fonctionnement Une struc- ture continue du fond de la mer jusqu'à la surface est ainsi formée, dans laquelle les trois connexions mécani- ques qui ont permis d'effectuer l'installation peuvent réétablir la continuité de structure entre les éléments connectés. Au stade X, les conduits verticaux pour l'écou- lement du pétrole brut du fond de la mer aux installations de surface sont mis à l'eau Les superstructures contenant les installations nécessaires 12 sont également installées. - Revendications 1 Structure marine pour haute mer à utiliser comme plateforme de production d'hydrocarbures ou point d'amar- rage de pétroliers ou pour d'autres usages industriels, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un élément tubulaire vertical trèsmince ( 1, 2) qui est relié au moyen d'éléments terminaux profilés,ayant une rigidité à la flexion qui augmente vers leur extrémité, vers le bas à un ensemble de base de fondation ( 8,9)et vers le hautà une chambre immergée de flottaison ( 1 O),quila maintient constamment sous tension et qui supporte un réseau ( 11) émergeant de la surface de la mer et portant les instal- lations à son sommet. 2 Structure marine selon la revendication précéden- te caractérisée en ce que les pièces en lesquelles l'élément tubulaire cylindrique est divisé sont reliées ensemble et aux éléments terminaux profilés pendant le stade de l'installation au moyen de colliers mécaniques rigides de serrage pouvant garantir une continuité totale de toute la structure après son installation. 3 Structure marine selon l'une quelconque des re- vendications précédentes caractérisée en ce que pendant le transport, les pièces en lesquelles l'élément tubu- laire cylindrique est subdivisé sont logées téléscopi- quement respectivement dans la partie inférieure de la structure constituée de l'ensemble de base de fondation déjà soudé à l'élément terminal profilé intérieur et dans la partie supérieure constituée de la chambre de flottai- son reliée à une extrémité à l'élément terminal profilé supérieur et à son autre extrémité au réseau supérieur. 4 Structure marine selon l'une quelconque des re- vendications précédentes caractérisée en ce que la struc- ture est constituée totalement ou partiellement de matériaux il - autres que l'acier, comme du béton armé, du titane, du "kevlar"ou des fibres de carbone. Structure marine selon l'une quelconque des re- vendications précédentes caractérisée en ce que les con- duits d'alimentation en huile à partir du fond de la mer jusqu'aux installations de surface sont disposés le long de la structure à l'extérieur ou à l'intérieur de celle- ci, et sont ainsi supportés.