Brevet FR2595734A1 — publié le 19870918

CONSTRUCTION ET UTILISATION DE TROUS DE FORAGE SOUS MARINS Grâce h la technologie offshore actuellement existante, il est possible de forer des trous en dessous du lit de la mer ' plusieurs mètres de profondeur. Les opérations de 10 forage peuvent être manoeuvrées à partir de différents types de plates-formes (par exemple, plate-forme marine semi-submersible, plate-forme élévatrice, plate-forme sur vérins, navire de forage etc. En règle générale, les trous de forage de faible diamètre (c'est-à-dire jusqu'à 3 m 15 environ) sont forés lorsqu'il s'agit de localiser et de produire du pétrole et du gaz à partir des réservoirs du lit sous-marin. Généralement les trous de forage sont tubés soit dans du béton, soit dans de l'acier, afin de contenir le pétrole ou le gaz sous pression et d'éviter 20 l'effondrement du trou de forage. On propose actuellement de construire un trou de forage sous-marin de grand diamètre (c'est-à-dire entre O10 et 50 mètres de diamètre) muni d'une paroi stable au moyen d'une méthode consistant à forer un certain nombre de trous de 25 forage autour de la circonférence d'un anneau de large diamètre, et en fournissant à ces trous de forage disposés le matériau nécessaire h la stabilisation locale des formations géologiques environnantes, et constituant un trou de forage central ou arbre, situé dans le périmètre 30 de l'anneau par forage et alésage ou par excavation. Ces trous de forage disposés en anneau et ces formations géologiques localement stabilisées constituent une paroi stable de large diamètre pour l'arbre de trou de forage central. Après construction du trou de forage central, il est possible de compléter la stabilisation de celui-ci au moyen d'un chemisage en béton. Les méthodes et les moyens de parvenir et de réussir la construction de trous de forage sous-marins de grand diamètre seront décrits ci-après sous forme d'exemple uniquement par référence aux schémas ci-joints, dans lesquels: La FIGURE 1 représente schématiquement la structure d'un caisson offshore reposant sur pilier, vu en plan et en élévation. La FIGURE 2 représente schématiquement la structure d'un caisson offshore présentant du fruit. La FIGURE 3 représente une autre structure de caisson. La FIGURE 4 représente une autre structure de caisson, vu 15 en plan et en élévation. La FIGURE 5 (A-L) représente schématiquement une méthode et un moyen de construction et d'utilisation des trous de forage sous-marins de gros diamètre. La FIGURE 6 représente d'une façon schématique la vue dans 20 le plan d'un anneau de trou de forage de petit diamètre. La FIGURE 7 représente un tube riser auto-portable en place au-dessus d'un trou de forage sous-marin de gros diamètre. Les FIGURES 8A et 8B représentent de façon schématique des 25 sections en coupe de tubes risers auto-portables et La FIGURE 9 représente une plate-forme sur vérins en place au-dessus d'un trou de forage sous-marin de large diamètre. Le premier aspect de cette invention est décrit en faisant 30 référence aux figures I à 5. La Figure 1 illustre la structure sur pilier d'un caisson en acier sur un site offshore pour lequel la plus basse marée astronomique (L.A.T.) assure une profondeur d'eau de 22 m. La structure comprend des caissons double-épaisseur. Un caisson 1 structural externe et un caisson 2 interne et servant de cloison contre le froid. Le caisson externe i s'étend 25 m au-dessus de la marée astronomique la plus basse et repose sur des piliers sur le lit de la mer sur un anneau circonférenciel de piliers 3. Les piliers 3 ont en général un diamètre approximatif de 2,5 m. 20 piliers de ce genre espacés sur la périphérie de 35 m du caisson ainsi illustré donnent un espacement entre piliers de ,5 m. Les piliers de préférence piqués et enfoncés jusqu'à une profondeur d'environ 45 m en dessous de la ligne des boues au moyen de platines et de marteaux hydrauliques (marteaux b vapeur) . Après enfoncement, les piliers peuvent Utre connectés à leur manchon au moyen d'un coulis de ciment. Le tubage extérieur est conçu pour 15 résister aux forces externes du vent et des vagues. Il est prévu pour être relié au dispositif de retenue d'eau et de stabilisation du sol de façon à éliminer l'eau de tout l'espace interne. Il peut également supporter soit un module de minage pour les opérations de plongée de l'arbre, ou tous autres modules opérationnels de maintenance ou de contrêle utilisés dans le trou de forage de gros diamètre, une fois achevé. Afin qu'un module du pont puisse être directement supporté au niveau du sommet du caisson structural 1, il est préférable qu'au moins 25 quelques uns des piliers 3 se prolongent vers le haut jusqu'h la hauteur totale du caisson structural N l. Le caisson intérieur à mur anti-froid 2 est situé dans le caisson externe; entre les caissons interne et externe, il existe un espace annulaire ainsi créé d'une largeur d'environ 2 m. Les lignes de froid (non indiquées) peuvent être utilisées dans les passages de froid à travers l'espace annulaire dans les murs du caisson interne 2 et s'étendent vers le bas entre la ligne de boues au travers d'un anneau de trous forés. Les lignes de froid peuvent 35 par exemple consister en tuyaux d'eau de mer prévus pour le transport de l'eau de mer refroidie à environ -30'C. L'espace annulaire à l'intérieur des murs du caisson interne est rempli d'un matériau comme par exemple du sable humide qui se met b geler de façon à former une paroi rigide. Cette paroi rigide constitue une zone de transition stable entre les formations géologiques gelées dans le sol sous-marin au-dessous de la ligne de boues et toutes autres unités situées au sommet. La hauteur des murs de givre sera de préférence au moins égale b la plus 10 forte marée astronomique (HAT). L'espace annulaire entre le caisson interne et externe peut être rempli d'eau, et, dans ce cas, l'eau peut être empêchée de geler par agitation, c'est-à- dire en envoyant des bulles dans l'eau afin de créer une circulation. Le caisson 2 à paroi froide est conçu pour être indépendant structurellement du caisson 1 et ceci permet de minimiser les charges du soubassement à proximité des murs de froid. Afin de s'assurer de la stabilité du caisson du mur de froid, des piliers fins peuvent -tre dressés au 20 travers de sa base dans le lit de la mer. Le matériau b l'intérieur des parois du caisson intérieur et les formations géologiques du lit de la mer en dessous de la ligne des boues sont gelés en traversant le matériau de refroidissement tout comme l'eau de ce mur froide tra25 versant les lignes de réfrigération. Une fois que le mur de réfrigération et que les formations géologiques sont complètement gelés, ils sont maintenus b l'état gelé grâce à un autre matériau de refroidissement tandis que l'arbre du trou central de gros diamètre est enfoncé dans l'espace 30 défini par la paroi intérieur du caisson interne. L'arbre peut être enfoncé b une profondeur d'environ 100-500 m au- dessous de la ligne des boues. Il est préférable que l'arbre du trou de forage central soit muni d'un chemisage en béton N'8 pour lui assurer une stabilité supplémen35 taire. Un tel chemisage pourra être versé par étapes 259S734 au fur et à mesure de la construction de cet arbre. La Figure 2 illustre la structure d'un caisson fixé sur le lit de la mer au-dessus des formations géologiques d'argile et de sable 4 et de craie 5. Le caisson structu5 ral 1 extérieur est posé sur des piliers au moyen de piliers fruités 3 passant au travers des guides des piliers disposés en angle 6. Le caisson peut être plus difficile à installer que le caisson présentant des piliers verticaux en raison des grands diamètres de base 10 et des guides de piliers inférieurs, mais le caisson présentera l'avantage d'une meilleure stabilité, c'est-àdire qu'il sera plus stable en réponse aux chocs ou aux conditions extrêmes de mauvais temps. Tout comme dans la structure du caisson de la figure 1, quelques uns des piliers 3 au moins peuvent s'étendre jusqu'à la hauteur du pont et être porteurs de charges. Dans la Figure 2, les lignes de refroidissement 7 sont indiquées en se prolongeant vers le bas à travers des couches d'argile/de sable 4 pour atteindre une couche de 20 craie 5. Selon la géologique environnante, il peut s'avérer nécessaire de créer un mur froid au-dessus uniquement d'une partie de la profondeur de l'arbre du trou de forage central; par exemple, un arbre chemisé dans une couche de craie peut fournir une paroi suffi25 samment stable sans refroidissement. Par exemple, les caractéristiques du sol pour un site offshore convenable peuvent indiquer les dépôts suivants: 0-13 m Sable argileux vaseux aver gravier et galets 13-22,50 m Sable fin à moyen 22,50-28 m Cailloux filiceux 28-44 m Argile tenace 44- 750 m Calcaire Un tel site peut exiger un mur de refroidissement afin de 35 stabiliser la géologie environnante jusqu'à une profondeur d'environ 50 m en dessous de la ligne de boues. Dans la Figure 3, il est prévu un caisson structural extérieur 1 posé sur des piliers sur le lit de la mer au moyen des piliers verticaux 3. Les piliers sont enfoncés 5 dans l'argile/sable 4 jusqu'au calcaire 5. Le caisson 1 est rempli de sable 10. Un caisson intérieur de tefroidissement n'est pas prévu. A sa place, un diaphragme annulaire en béton est prévu jusqu'à une profondeur d'environ 20 m en dessous de la ligne des boues. Le mur 11 10 est construit par excavation d'une tranchée annulaire, en utilisant des matériaux tels que des boues de bentonite afin de soutenir temporairement les parois de la tranchée puis remplir l'anneau ainsi excavé au moyen de béton. Cette tranchée annulaire peut être constituée par coupure 15 séquentielle de sections de tranchée adjacente - par exemple chaque section peut avoir environ 3 m de longueur, 1 m de largeur et 60 m de profondeur. Les lignes de refroidissement 7 sont coulées dans le mur diaphragme 11 et s'étendent vers le bas au delà de la limite inférieur du 20 mur 11. Tandis qu'un caisson en acier sur piliers obtient le plus souvent la préférence, il serait possible dans un autre agencement d'utiliser le caisson structural extérieur comme structure de gravité de masse fabriquée à partir de 25 béton ou d'acier. Une telle structure est illustrée à la Figure 4 et comprend une portion de mur 12 et une portion de base 12a. La dimension de base doit être sensiblement large pour transmettre correctement le poids mort et les forces environnantes dans le lit de la mer. L'arbre d'un 30 trou de forage central de gros diamètre peut être construit à la périphérie du mur 12. Les juges en acier (non indiquées) peuvent s'étendre au-delà de la base de la structure de gravité afin d'améliorer la stabilité au glissement et de prolonger les chemins de circulation 35 d'eau (c'est-à-dire afin d'améliorer le rideau d'étan- chéité). Les lignes de refroidissement peuvent par exemple parcourir l'espace intérieur de la structure ou l'intérieur des conduites dans le mur lui-même. La Figure 5 (A-L) illustre la construction de l'utilisa5 tion d'un trou de forage sous-marin stabilisé de grand diamètre. Cette figure indique les étapes suivantes: A. Le caisson structural extérieur 1 et le caisson 2 du mur intérieur de refroidissement sont chargés sur une barge 13 et transportés sur le site offshore choisi. B. Le caisson extérieur 1 est soulevé de la barge 13 par un arrière-grue flottant 14. C. Le caisson extérieur 1 est abaissé et mis en place sur le lit de la mer. D. Les piliers 3 extérieuis sont fruités et manoeuvrés en 15 utilisant les platines 15 et un marteau hydraulique 16. E. Le caisson 2 du mur de refroidissement intérieur est soulevé de la barge 13 au moyen d'un arrière-grue 14 et installé sur le lit de la mer dans le caisson extérieur 1. F. Les piliers fins intérieur 17 sont fruités et manoeu20 vrés. L'installation des deux caissons s'est achevée par jointoiment des piliers 3-17. G. Les murs de refroidissement pour les lignes de refroidissement 7 sont construits par forage d'un anneau de trou de forage dans l'espace annulaire situé l'intérieur des 25 parois du caisson. Le forage est réalisé ' partir d'une plate-forme élévatrice 19 - ou bien un derrick de forage portable peut être monté sur la structure du caisson. Le refroidissement du mur de refroidissement du caisson et de la géologie du sous-sol est effectué par pompage de saumure refroidi à travers les lignes de refroidissement des puits de refroidissement. H. Un module de pont 20 et un module de tête de minage 21 sont chargés sur une barge 13 et transportés sur le site. I. Le module de pont 20 est installé sur le caisson structural externe et supporté par les piliers 3 déployés vers le haut. J. Le module 21 de tête de minage est mis en place. K. Une plate-forme élévatrice 19 met en place un pont 22 de façon à permettre l'entretien et la surveillance des opérations de mine. On procède ensuite b l'excavation d'un arbre de trou de forage de grand diamètre h la profondeur souhaitée en dessous de la ligne des boues. L'arbre est 10 ensuite encastré dans du béton au fur et à mesure de sa construction. Les gravats provenant de l'excavation peuvent soit être enterrés localement, ou peuvent être chargés sur des navires convenables et transportés ailleurs. Après achèvement des travaux d'excavation, les 15 modules de pont et de mine sont retirés, les divers objets devant être jetés sont mis en place sur le trou de forage central et le trou de forage central est remblayé. L. Une fois que le trou a été rempli, un module 23 (comprenant par exemple un équipement de contrôle, une 20 installation de maintenance, un abri pour le personnel d'urgence et un pont hélicoptère) est transporté sur le site et mis en place sur la structure du caisson. Etant donné qu'une plus grande capacité de refroidissement est exigée pour initialement refroidir la géologie que pour la 25 maintenir froide, on considère qu'au moins certains des trous de forage en anneau des puits de refroidissement peuvent être utilisés pour loger l'équipement de contrôle en bas du trou comme par exemple le matériel de surveillance seismographique et radiologique, les détecteurs de 30 température et de pression etc. Un second aspect de l'invention peut être décrit en se référant aux figures 6 à 9. Comme le montre la figure 6, un certain nombre de petits trous de forage 31 sont forés autour de la circonférence 35 d'un anneau. Les trous sont d'un format conventionnel utilisé dans l'industrie offshore. Ces trous sont perforés après achèvement et après qu'un matériau stabilisant aitété pompé dans les trous de forage de façon à pénétrer localement et "geler" les zones avoisinantes 32. Le matériau peut par exemple consister en de l'azote liquide ou il peut s'agir d'un matériau de cimentation ou d'une combinaison de matériaux. L'effet de cet anneau de trous est de créer une paroi stable 33 pour maintenir les formations géologiques avoisinantes 34. Une fois que l'anneau 10 a été achevé, les parties centrales 35 peuvent être forées puis alésées au diamètre souhaité (36). La technique d'alésage dépendra de la géologie mais, par exemple, l'alésage pourra être réalisé par des lames de racloir montées sur un ressort de forage conventionnel ou bien pour être réalisées par dynamitage à l'intérieur du forage au moyen d'un agent permettant d'arrêter l'écoulement du fluide et envoyé sous forte pression i partir d'une buse dans la tête rotative d'une découpeuse. La Figure 7 illustre une plate-forme élévatrice 37 travaillant sur un riser auto-porteur 38 placé sur des piliers (au moyen des piliers 39 jusqu'à la base 44) et jusqu'au lit de la mer 40. Comme on le voit dans le plan de la Figure 8a, le riser 38 auto-porteur comprend un corps de riser central 41 entouré par un certain nombre de 25 conducteurs de forage 42 pour guider un ressort de forage 43 au cours des opérations de forage de cet anneau de trous de forage 31. Plus clairement, les guides de forage pourront être entourés par le corps du riser 41 comme le montre la Figure 8b. Le riser 38 est soutenu sur la base 44 par des entretoises 45. Sur la figure 7, la plateforme élévatrice 37 est représentée utilisant un derrick de forage insaboté 46 afin de travailler au-dessus du riser 38. Les travaux ci-dessus peuvent également être réalisés au moyen d'un autre type de plate-forme comme par 35 exemple une plate-forme marine semi-submersible, une 2595734 embarcation de forage ou similaire. Il est préférable que le riser et la base soient amenés en navire sur le site de forage sous forme d'une unité intégrée. Toutefois, dans l'alternative, une autre possibilité existe consistant en un gabarit présentant un anneau de guide de forage et que l'on pose sur piliers sur le fond de la mer, cet anneau de trous de forage est ensuite percé à travers le gabarit, puis un riser (sans guide de forage périphérique) est engagé sur ce gabarit. O10 Lorsque le riser est en position sur le fond de la mer, il sera scellé à son extrémité (c'est-à-dire par collage d'une tranchée puis jointoyage) et sera rempli à l'intérieur de boues de forage etc.. de la façon habituelle. En eaux profondes, un riser auto-porteur peut s'avérer 15 insuffisamment robuste et on préférera parfois l'installation d'un jacket, comme le montre la Figure 9. Un gabarit 47 avec des guides de forage est placé sur pilier 39 sur le fond de la mer 40 et un jacket 48 est positionné audessus du gabarit. Un derrick de forage 49 peut être 20 utilisé pour travailler au-dessus du gabarit afin de forer les trous nécessaires 31. Une fois que les trous disposés en anneau ont ainsi été percés et que les formations géologiques ont été localement refroidies, le trou de forage central peut être foré et alésé comme on l'a vu précé25 demment. Les trous de forage sous-marins de plus gros diamètre n'ont pas été forés au préalable. Dans l'industrie offshore du gaz et du pétrole, il est habituel de forer des trous de forage de petit diamètre et pour les encastrer dans des sections rigides. Jusqu'à présent, on a jamais eu besoin de pratiquer des trous de forage pour d'autres fins que celles de l'industrie gazière et pétrolibre offshore. On considère actuellement qu'un trou de forage sous-marin 35 de grand diamètre du type décrit ci-dessus pourrait être il 2595734 utilisé pour la mise en place sous le lit de la mer des déchets de grande taille comme par exemple le noyau du réacteur blindé d'un sous-marin nucléaire désarmé. Selon la profondeur du trou, un noyau de réacteur ou plus pourront être enterrés dans chaque trou. Lorsqu'un réacteur parvient à la fin de sa vie utile, on a l'habitude de le démonter en éliminant l'écran de protection ainsi que la gaine de combustible et de procéder à l'élimination des diverses parties du coeur radio-actif. 10 Un tel démontage coOte très cher et peut s'avérer dangereux. Les noyaux du réacteur sont toujours très bien protégés et d!une construction solide et par conséquent, on se propose d'utiliser la structure existante du réacteur plutôt que de le détruire. Il est plus rentable 15 et plus sûr d'éliminer un noyau de réacteur sous forme d'unité intégrée plutôt qu'en morceaux séparés. S'agissant d'un exemple d'une méthode proposée pour l'élimination de ce type, le désarmement d'un sous-marin nucléaire sera pris en considération. Les noyaux d'un tel 20 sous-marin mesure habituellement de 10 à 30 m de section et pèse entre 300 et 800 tonnes. Lorsque le sous-marin doit être désarmé, l'élimination des déchets radio-actifs du noyau du réacteur pose un problème. On propose que la coque et la superstructure du sous-marin entourant le noyau soient découpées laissant ainsi une unité intégralement protégée et contenant tout les matières radioactives. Ceci peut être réalisé pour plus de sécurité qu'en procédant à la manutention de parties individuelles cassées de l'ensemble. On propose donc de transporter un noyau de réacteur complet vers un site offshore convenable o il pourra être mis en place au fond d'un trou sousmarin de gros diamètre (du type construit et décrit ci-dessus) puis scellé et rendu étanche par rapport à son environnement, par rem35 blayage du trou de forage au moyen d'un matériau de type ciment. En clair, un produit de déchet de ce type contenant des matières radio-actives est ainsi éliminé avec beaucoup plus de sécurité qu'en conservant sa protection existante et en la noyant dans du ciment bien en dessous du fond de la mer plutôt qu'en le cassant en plusieurs morceaux et en stockant le morceau à terre. REVENDICATIONS 1. Une méthode de construction d'un trou de forage sousmarin de gros diamètre (par exemple entre 10 et 50 m de diamètre) muni d'un mur stable, cette méthode comprenant le forage d'un certain nombre de trous de forage autour de la circonférence d'un anneau de gros diamètre en fournissant à ces trous de forage disposés en anneau le matériau permettant de stabiliser localement les formations géo10 logiques avoisinantes et en formant ainsi un trou de forage central, ou arbre, dans le périmètre de l'anneau par forage et alésage ou par excavation, et selon laquelle les trous de forage et les formations géologiques localement stabilisées constituent un mur stable de gros 15 diamètre pour l'arbre du trou de forage central. 2. Une méthode selon la revendication 1, pour laquelle le matériau fourni pour les trous de forage disposés en anneau en vue de stabiliser localement les formations géologiques avoisinantes comprennent de la saumure 20 environ -30'C. 3. Une méthode selon la revendication 1, dans laquelle une structure de caisson auto-porteuse est fournie, présentant un espace intérieur à partir duquel il est possible d'évaquer l'eau et au travers duquel les trous de forage 25 disposés en anneau et un trou de forage central peuvent être constituées. 4. Une méthode selon la revendication 3 dans laquelle la structure du caisson est posée sur piliers sur le lit de la mer au moyen de piliers fruités et traversant des 30 guides de piliers disposés en angle. 5. Une méthode selon la revendication 1, pour laquelle une structure en forme de caisson est fournie, comprenant deux caissons à double-paroi. Un caisson structural externe étant conçu pour résister à la force des vents et des 35 vagues extérieurs et d'exclure l'eau externe, et un caisson intérieur dans le périmètre du caisson extérieur est disposé de façon radiale par rapport b ceux-ci, l'espace annulaire au sein des parois du caisson interne comportant des moyens de fournir aux trous de forage disposés en anneau un matériau permettant de stabiliser localement les formations géologiques avoisinantes et l'espace annulaire est également remblayé au moyen d'un matériau susceptible de constituer une paroi rigide. 6. Une structure en caisson auto-porteuse destinée 'à tre 10 utilisée pour une méthode conforme ' la revendication 1, comprenant un caisson en acier sur piliers présentant un caisson structural externe h double-paroi et un caisson interne à double-paroi indépendant structurellement et espacé radiallement par rapport au premier. 7. Une méthode permettant d'éliminer les déchets et comprenant la construction d'un trou de forage sous-marin de gros diamètre au moyen de la méthode définie dans la revendication 1, et mettant an place un déchet ou plus dans le trou de forage et en remblayant le trou de forage 20 de façon à le rendre étanche. 8. Une méthode selon la revendication 7 dans laquelle le déchet ou chaque déchet contient des matériaux radioactifs. 9. Une méthode selon la revendication 7 dans laquelle le 25 déchet ou chaque déchet se trouve dans une unité blindée contenant des matériaux radio-actifs provenant du noyau d'un réacteur nucléaire. 10. Une méthode selon la revendication 7 pour laquelle le déchet ou chaque déchet constitue une unité blindée 30 intégrale contenant la matière radio-active provenant du noyau du réacteur d'un sous-marin nucléaire.