Brevet FR2536456A1 — publié le 19840525

La présente invention est relative au domaine technique du forage à partir d'un plan d'eau, et plus précisément à celui du forage mettant en oeuvre des procédés de type minier et/ou pétrolier en vue d'effec- tuer des explorations rapides de sites en vue de leur éventuelle exploitation ultérieure. Une condition essentielle de bonne mise en oeuvre de ces procédés consiste à exercer sur l'outil de forage un effort d'appui qui soit normal à la surfa- ce à perforer, et constant. Cette condition est évidemment difficile à remplir lorsque le forage est exécuté à partir d'un plan d'eau et, dans ce cas, on ne connait jusqu'alors que deux solutions. Selon la première solution on conduit sur le site une plateforme de forage en flottaison puis 5 après mise en place de piliers s'appuyant sur le fond marin, on élève au-dessus du plan d'eau la plateforme qui vient reposer sur les piliers De la sorte, on se re- trouve dans les configurations opérationnelles d'un forage à terre. Selon la seconde solution, on conduit sur le site une barge o elle est ancrée et l'on équipe le haut du train de tige de forage d'un appareil complexe compensateur de houle destiné à imprimer au train de tige un déplacement vertical égal et opposé à celui de la barge de façon à obtenir une variation globale de déplacement nulle sur l'outil; autrement dit, le point bas du train de tige est fixe par rapport au terrain, et le point haut, qui est lié à un point mobile, est rendu fixe dans l'espace. Ces deux types de systèmes de forage, essen- tiellement utilisés en forage pétrolier, sont coûteux à l'investissement, à l'entretien, et à l'utilisation. De plus, les systèmes de forage du second ty- pe, à compensation de pilonnement, le pilonnement étant le phénomène dû à l'action cyclique de contraintes de pression verticales variables sur le point bas du train de tige, ne sont efficaces que pour une élasticité du train de tige assez grand, c'est-à-dire une longueur de celui-ci assez importante de sorte quev pour de faibles hauteurs d'eau, la compensation est plus difficile à obtenir et le forage moins efficaces La présente invention a pour but de proposer un nouveau type de système de forage à partir d'un plan d'eau insensible à la houle, qui soit beaucoup plus simple, et donc plus économique, tant dans sa concep- tion que dans sa mise en oeuvre, et dont l'efficacité optimisée soit indépendante de la hauteur d'eau. A ces effets, l'invention a pour premier objet un système de forage à partir d'un plan d'eau, du genre comportant des moyens pour exercer et maintenir sur l'outil de forage un effort d'appui qui soit normal à la surface à perforer, et constant, quel que soit l'effet de la houle, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: une embase à passage central pour le train de tige d'un appareil de forage, destinée à venir reposer sur le fond marin, reliée Plastiquement à des moyens de, réception d'un corps cylindrique, une colonne formée par un guide central tubulaire cy- lindrique, destiné à laisser passer et guider le train de tige de l'appareil de forage; entouré d'une enveloppe tubulaire cylindrique extérieure, l'espace annulaire creux formé entre le guide central et l'en- veloppe extérieure étant subdivisé en un élément étanche constituant un ballast inférieur, un élément intermédiaire étanche de longueur variable détermi- née en fonction de la valeur moyenne de la tranché d'eau sous laquelle est effectué le forage, un élé- ment étanche constituant un ballast supérieur et un élément de tête, la hauteur totale de ladite colonne étant supérieure à la valeur maximale de la tranche d'eau, la partie inférieure cylindrique de la colonne étant conformée pour venir se loger dans lesdits moyens de réception de l'embase et l'élément de tête de la colonne supportant une plateforme de montage dtun appareil de forage, et une barge embossée sur des lignes d'ancrage sur le site à forer, munie d'un collier annulaire recevant avec jeu ledit élément de tête de la colonne pour permettre à la-fois un coulissement vertical et une inclinaison par rapport à la verticale de cet élément de t&te. L'originalité essentielle du système de fo- rage selon l'invention consiste donc à soustraire le train de tige de forage à l'effet de pilonnement en posant l'appareil de forage sur l'extrémité supérieure d'une colonne creuse sensiblement verticale et de hau- teur supérieure à la valeur maximale de -la tranche d'eau; ainsi, il n'y a plus de compensation à effec- tuer sur ce train de tige entourée par la colonne creu- se qui peut librement coulisser verticalement ou s'in- cliner par rapport à la barge lorsque celle-ci monte et descend, ou effectue des déplacements horizontaux limi- tés sous l'effet de la houle. L'invention a encore pour but d'éviter des préparations de la zone à forer avec des moyens lourds de travaux publics. A cet effet,-l'invention a pour-autre objet un système de forage, tel que défini ci-dessus, carac- térisé en ce que la liaison élastique entre la partie inférieure cylindrique de la colonne et l'embase est assurée par la conformation hémisphérique de cette par- tie inférieure, et par la prévision d'un support de réception également hémisphérique de cette partie infé- rieure avec interposition entre eues d'empilements de plaques hémisphériques réalisées alternativement en matériau dur et en matériau élastique. L'invention a encore pour but de réduire les effets des oscillations de la colonne. A cet effet, l'invention a pour autre objet un système de forage, tel que défini ci-dessus, carac- térisé en ce que ladite plateforme de forage ne supporte que la partie actlre de l'appareil de forage comprenant le mât, les treuils et les moyens de levage- et les commandes, le reste de l'appareil de forage com- prenant les moteurs, pompes et autres treuils et moyens de levage, étant disposé sur la barge. L'invention porte encore sur quelques caractéristiques connexes de construction qui seront -exposées ci-après. A titre d'exemple illustratif et non limita- tif, et pour mieux faire comprendre l'invention, on décrira en effet maintenant un mode particulier de réa- lisation de l'invention. On se référera aux dessins annexés, sur les- quels: la figure 1 représente schématiquement en coupe partielle et vue latérale partielle, l'ensemble caractéristique des-moyens combinés selon l'invention, la figure 2 représente, en vue perspective éclatée partiellement en coupe, l'embase et les moyens de support élastique du pied de la colonne du système de forage, la figure 3 représente, en coupe axiale, les mêmes éléments, tels qu'ils sont assemblés pendant le transport et la mise en place de la colonne, la figure 4 représente, en vue de dessus, le collier annulaire de maintien de guidage avec jeu de l'élément de tête de colonne, collier monté sur la bar- ge, la figure 5 représente, en vue perspective, le mode de montage de la plate-forme de forage sur l'élément de tête de colonne, et l a figure 6 représente, vu de coté, l'en- semble de l'élément de tête de colonne portant la pla- teforme de forage, du collier de guidage de cet élé- ment, et de la barge pour montrer les positions respec- tives différentes que peuvent prendre la colonne et la barge sous l'action de la houle Le système de forage représenté-sur la figure 1 schématiquement dans son ensemble est destiné sous une tranche d'eau de hauteur h à effectuer un forage dans le terrain 1. Essentiellement, il comporte une embase 2 re- posant sur le terrain 1, embase qui supporte élastique- ment une colonne creuse 3, de hauteur totale H supé- rieure à la valeur maximale de la hauteur h de la tran- che d'eau L'élément de tête H de la colonne 3 qui supporte la plateforme 5 de forage est guidée avec jeu dans un collier-guide 6 monté sur une barge 7. Les figures 2 et 3 représentent plus en dé- tail la réalisation de l'embase 2 et son mode d'assem- blage élastique avec la base de la colonne 3. L'embase réalisée par mécanosoudure comprend une plaque de fond 8. Au-dessous de cette plaque 8 sont prévus des éléments formant bêches destinés à s'enficher dans le terrain 1 Ces bêches sont constituées, par exemple, de trois tubes 9 et d'un-tube central 10 destiné en outre à laisser passer en sa partie centrale le train de tige de l'appareil de forage. Au-dessus de cette plaque 8 est réalisée l'embase 2 proprement dite qui comprend un caisson pé- riphérique 11, subdivisé par des cloisons de renforce- ment 12, munie d'orifices 13 permettant la communica- tior entre eux des différents volumes subdivisés, et rigidifié par des profilées 14 o Ce caisson Il peut fonc- tionner en ballast sous le contr 8 le de vannes 15, comme on l'expliquera ci-aprèso Des entretoises 16 sont interposées entre un cylindre droit 17 muni d'une collerette supérieure 18 et le tube central 10 évasé vers le haut D'autres en- tretoises 19, munies de perçages 20, placées entre la partie supérieure du cylindre 17 et la plaque supérieu- re 21 du caisson 11, renforcent la rigidité et la soli- dité de l'embase- La collerette 18 est destinée à supporter la collerette 22 d'une pièce 23 de forme hémisphérique percée en son centre et solidaire du pied de colonne 3. L'intérieur hémisphérique de la pièce 23 sert de sup- port à des empilages successifs de plaques 24, de même forme hémisphérique, réalisées alternativement en *acier et en néoprène et maintenues par collage entre elles, et par goujons 25 sur la pièce 23 d'une part, et la base également hémisphérique 26 du pied de la colon- ne 3 L'empilage des plaques alternées rigides et sou- ples 24 constitue une rotule élastique d'accouplement entre le pied de la colonne 3 et l'embase 2 Des joints souples 27 enferment et protègent cette rotule élasti- que. La figure 3 montre l'assemblage tel qu'il est réalisé lors du transport et de la mise en place de la colonne Alors, les deux collerettes 18 et 22 sont as- semblées par des boulons 28 et l'embase 2 est en outre reliée rigidement au bas de la colonne 3 par l'intermé- diaire d'élingues 29 à tendeurs 30. La colonne 3, comme le montre la figure 1, est formée par un guide central tubulaire cylindrique 31, destiné à laisser passer et guider le train de tige de l'appareil de forage, non représenté. Le tube central 31 est entouré d'une envelop- pe tubulaire cylindrique extérieure 32. L'espace annulaire creux formé entre les cy- lindres 31 et 32 est subdivisé en un élément étanche constituant un ballas t inférieur 33, un élément inter- médiaire étanche 34, de longueur variable selon les sites e forage et déterminée en fonction de la valeur moyenne de la hauteur h de la tranche d'eau sous la- quelle est effectué le forage, un élément étanche cons tituant un ballast supérieur 35 de diamètre plus grand, et un élément de-tête 36, à l'intérieur de la tète 4 de la colonne 3. Les ballasts, inférieur 3-3 et supérieur 35, sont commandés par des vannes schématisés en 37, re- liées par des canalisations schématisées en 38 elles- mêmes reliées par des canalisations flexibles schémati- sées en 39 à un poste de contrôle 40 placé sur la barge 7 En pratique, les canalisations 38 sont logées à l'intérieur de la colonne creuse 3 - La tête 4 de la colonne 3 se termine par une bride 41 sur laquelle on monte par boulonnage la plate- forme de forage 5, comme on le voit égalementsur la figure 5. La hauteur totale H de la colonne' 3, entre l'embase 2 et la collerette 41, est supérieure à la valeur maximale de la tranche d'eau h. La tête 4 de la colonne 3 est guidée avec jeu dans un collier 6 porté par la barge 7 et qui est repré- senté plus en détail sur la figure 4 Le collier 6 comprend quatre patins 42 montés fixes en demi-cercle sur un support 43 solidaire de la barge Quatre autres. patins 44 sont montés sur deux bras en quart de cercle 45 montés pivotant autour d'axes 46 sur le support 43. Des blocs de caoutchouc 47 servent d'amortisseurs de chocs entre la tête 4 et le collier 6. Sur la plateforme de forage 5, selon une ca- ractéristique de l'invention, on ne monte que la partie active de l'appareil de forage comprenant le mât 48, les treuils et moyens delevage schématisés en 49, et certaines commandes 50 Le reste de l'appareil de fora- ge, comprenant les moteurs, pompes et autres treuils et moyens de levage, schématisés en 51, est disposé sur la barge 7. La barge 7, de type connu en soi est équipée de lieux d'habitation et des équipements fonctionnels liés à l'apparei-l de forage et à son exploitation. Elle est stabilisée en position par des bal- lasts. Elle est équipée de moyens de levage, de treuils, de pompes, de réservoirs, et de moyens de pro- duction d'électricité. Elle est reliée par des lignes de mouillage schématisées en 52, à des ancres. On décrira maintenant le mode de mise en oeu- vre du système de forage selon l'invention. On prépare d'abord à terre, par assemblage soudé, la longueur H de colonne 3 désirée en fonction du site o doit être effectué le forage Cette longueur H est ajustée en faisant varier la longueur de l'élé- ment intermédiaire 34. L'embase à rotule 2 est mise en place et solidarisée du pied de colonne par des boulons 28 et les élingues 29 à tendeurs 30 (figure 3). Les ballasts 11, 33 et 35 sont remplis d'air. La colonne et son embase sont alors mis à l'eau, en flottaison horizontale et l'on procède au re- morquage de cet ensemble ainsi déballasté vers le site de forage. La barge est transférée sur le site de forage et embossée sur ses lignes d'ancrage préalablement mouillées La barge est orientée parallèlement à la di- rection dé la houle longue qui correspond, pour les lagons ou les mers fermées par une passe, à la houle formée dans l'océan et entrée par la passe. L'appareil de sondage est placé du côté oppo- * sé au vent dominant. On procède ensuite à l'inclinaison progres- sive de la colonne par paliers successifs de levage à * la grue, à partir de la barge, de la tête de colonne et ballastage partiel du ballast inférieur 33 On veille à ce que chaque palier d'inclinaison corresponde à un po- sitionnement incliné stable de la colonne On procède ainsi jusqu'à la fin du ballastage du pied de la colon- ne On ballaste partiellement et progressivement le ballast supérieur jusqu'à obtenir une flottaison verti- cale de la colonne, retenue par la grue à partir de la barge. L'élément de tête 4 de la colonne est alors introduit dans le collier-guide 6 dont on referme alors les bras mobiles 45. Jusqu'alors, la colonne ne repose pas encore sur le fond marin. On finit le ballastage supérieur et l'on pro- cède, à l'aide de la grue, à la pose de la colonne et de son embase sur le fond. Des plongeurs retirent alors les élingues re- liant la tête de colonne à la grue et à la barge, les canalisations flexibles de ballastage, les élingues de liaison entre le pied'de colonne et l'embase ainsi que les boulons rattachant les brides 18 et 22. La colonne repose alors librement sur la rotule élastique de l'embase. L'installation est prête pour les opérations de forage. Ces opérations sont classiques en elles- mêmes et il n'y a pas lieu de les décrire, La figure 6 illustre les possibilités, pour la colonne de forage 3, soit de pivoter librement au- tour de la rotule élastique de sa base en S 'inclinant différemment par rapport au collier-guide 6, ceci lors- que la barge est soumise à des déplacements horizontaux limités, soit de coulisser verticalement librement à l'intérieur du collier-guide 6, ceci lorsque la barge monte ou descend sous l'action de la houle. Après exécution des opérations de forage, on procède comme décrit ciaprès, pour le déplacement du système de forage. La tête de colonne est élinguée à la grue. On effectue un déballastage partiel de la tê- te de colonne, puis un déballastage total en soulevant la colonne à l'aide de la grue. On procède de même au déballastage progressif du pied de colonne pour amener-; par paliers successifs stables, la colonne en position de flottaison horizon- tale. On récupère ensuite séparément l'embase res- tée au fond par repêchage par câble Cette opération nécessite l'intervention de plongeurs pour l'accrocha- ge du cable Le caisson de l'embase est déball-asté lorsque l'embase parvient à quelques mètres au-dessous du niveau de l'eau. Outre les avantages essentiels soulignés précédemment, on fait encore observer que le mode d'utilisation du système de forage, consistant à con- duire sur le site la colonne en flottaison horizontale, puis à la mettre à la verticale par ballastages succes- sifs contr 8 lés de la surface à partir de la barge, puis à l'introduire dans le collier-guide et la poser sur le il fond à nouveau par ballastage, est un mode d'utilisa- tion simple ne mettant en oeuvre aucun dispositif de commande dynamique complexe, comme c'est le cas pour les plateformes de forage auto-élévatrices. Par ailleurs, s'agissant d'explorations sur des sols à la portance inconnue, la sécurité est assu- rée de la manière suivante: le ballastage est ajusté pour que la colonne ait une flottabilité légèrement né- gative afin de la poser au fond Si le sol vient à s'effondrer, la colonne 3, grâce à sa collerette 41, vient en butée contre le collier-guide 6 solidaire de la barge qui assure la flottabilité de l'ensemble co- lonne-barge et le personnel embarqué et le matériel sont préservés en toute sécurité, la barge prenant une inclinaison très faible, de l'ordre du degré. Les, structures marines sont très sujettes à l'endommagement par fatigue de leurs éléments compo- sants lorsque ceux-ci sont soumis à des efforts cycli- ques cumulés Dans le cas de la présente-invention, ce type de dommages est minimisé car la colonne, élément caractéristique du système, est soustraite au maximum aux sollicitations de houle En effet, la hauteur de la colonne est choisie très supérieure à la zone d'effet de houle Par ailleurs, la section de colonne soumise à la houle, c'est-à-dire celle près de la surface de l'eau, est minimisée. Ce système de forage peut être utilisé aussi bien pour des forages de quelques dizaines de mètres, que pour des forages pouvant aller jusqu'à près de mil- le mètres. Ce système de forage permet d'exécuter aussi bien des forages rectilignes que des forages déviés. Par comparaison avec des plateformes du type auto-élévatrices, le système de forage de l'invention conduit à des coûts d'investissement huit fois moin- dres, et des coûts d'exploitation quatre fois moindres. 12 2536456 REVENDICATIONS 1 Système de forage à partir d'un plan d'eau, du genre comportant des moyens pour exercer et maintenir sur l'outil de forage un effort d'appui qui soit normal à la surface à perforer, et constant, quel que soit l'effet de la houle, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison u Be embase ( 2, figure 1) a passage central pour le train de;tige d'un appareil de forage, destinée à venir reposer sur le fond marin (l'), reliée élasti- quement à des moyens de réception d'un corps cylin- drique,. une colonne ( 3) formée par un guide-central tubulaire cylindrique ( 31), destinée à laisser passer et guider l e train de tige de l'appareil de forage, entourée d'une enveloppe tubulaire cylindrique extérieure ( 32), l'espace annulaire creux formé entre le guide central et l'enveloppe extérieure étant subdivisé en un élément étanche constituant un ballast inférieur ( 33), un élément intermédiaire étanche ( 34) de lon- gueur variable déterminée en fonction de la valeur moyenne de la tranche d'eau sous laquelle est effec- tué le forage, un élément étanche constituant un bal- last supérieur ( 35) et un élément de tête ( 4), la hauteur totale (H) de ladite colonne étant supérieure à la valeur maximale de:la tranche d'eau (h), la par- tie inférieure cylindrique de la colonne ( 3) étant conformée pour venir se loger dans lesdits moyens de réception de l'embase ( 2), et l'élément de tête de la colonne supportant une plateforme de montage d'un ap- pareil de forage ( 5), et une barge ( 7) embossée sur des lignes d'ancrages ( 52) sur le site à forer, munie d'un collier annulaire ( 6) recevant avec jeu ledit élément de tête ( 4) de la colonne ( 3) pour permettre à la fois un coulissement vertical et une inclinaison par rapport à la vertica- le de cet élément de tête. 2 Système de forage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la liaison élastique entre la partie inférieure cylindrique de la colonne ( 3) et l'embase ( 2) est assurée par la conformation hémisphérique de cette partie inférieure ( 26), et par la prévision d'un support de réception également hémi- sphérique ( 23) de cette partie inférieure ( 26) avec in- terposition entre eux d'empilements de plaques hémi- sphériques ( 24) réalisées alternativement en matériau dur et en matériau élastique. 3 Système de forage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite plateforme de forage ( 5) ne supporte que la partie ac- tive de l'appareil de forage comprenant le mât ( 48), les treuils et moyens de levage ( 49) et les commandes ( 50), le reste de l'appareil de forage comprenant les moteurs, pompes et autres treuils et moyens de levage ( 51), étant disposé sur la barge ( 7). 4 Système de forage selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour solidariser rigidement la partie inférieure de la colonne ( 3) de l'embase ( 2) lors du transport de la col Onne en position de flottaison horizontale corres- pondant au déballastage des ballasts inférieur ( 33) et supérieur ( 35). Système de forage selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que ces moyens de solidarisa- tion sont constitués de collerettes d'assemblage ( 18 et 22) réunies par des boulons ( 28) et d'élingues ( 29) munies de tendeurs ( 30). 6 Système de forage selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que ledit collier annulaire ( 6) solidaire de la barge ( 7) est formé d'une partie semi-circulaire ( 42) solidaire de la barge sur laquelle sont articulés des bras pivotants ( 45) s'ouvrant pour recevoir la colonne ( 3),