Brevet FR2616858A1 — publié le 19881223

- 1 - La présente invention concerne un élément à raideur variable, notamment pour la connexion d'une ligne à un point fixe, l'autre extrémité de cette Ligne étant susceptible de déplacement, ce point fixe pouvant être au fond de l'eau. La présente invention est notamment applicable aux lignes tendues, par exemple aux lignes d'ancrage, aux lignes de transfert de production pétrolière, telles les colonnes montantes, également désignées par le terme anglo-saxon de "Riser". Les colonnes actuelles de forage et de production sont généralement liées au fond de la mer par une articulation composée d'une rotule ou d'un joint flexible qui admet un mouvement angulaire de l'ordre de 10 dans une direction quelconque. L'exception à cette règle est donnée par la plate-forme à lignes tendues, installée sur le gisement de HUTTON en mer du Nord, pour laquelle les colonnes de production sont encastrées directement dans les têtes de puits qui se trouvent regroupées à la verticale de la plate-forme. Un tel encastrement est intéressant pour plusieurs raisons. Tout d'abord, il évite d'imposer une flexion importante aux tubages de production qui se trouvent à l'intérieur de la colonne. Il réduit par ailleurs les débattements angulaires de celle-ci. Enfin, il est plus compact et moins cher et demande moins d'entretien qu'une rotule. -2- Dans le cas d'un prolongateur de forage, une telle liaison réduit considérablement l'usure des tiges. L'inconvénient d'un encastrement est que les moments induits par le déport latéral de la plate-forme ainsi que par l'effet du courant marin peuvent être très importants. Pour réduire les contraintes de flexion, qui autrement dépasseraient la limite admissible dans la colonne, il devient nécessaire d'introduire un élément à raideur variable entre la colonne et l'encastrement. L'élément peut être conçu pour que la courbure provoquée soit sensiblement -constante sur toute sa longueur. Ceci demande que la raideur en flexion (EI) évolue d'une façon précise le long de l'élément. Les données du problème sont les suivantes: AB = l'angle en pied de la colonne dans le cas d'une articulation sans raideur, (EI)R = la raideur en flexion de la colonne, (EI)O = la raideur en flexion de l'extrémité supérieure de l'élément à raideur variable, M0 = le moment maximal admissible à la jonction entre la colonne et l'élément, Si T = la force de traction à la jonction et C0 = la force de cisaillement à la jonction et en posant KR = \T/(EI)R -3- VR = VT.(EI) R R R = ce rayon de courbure minimum admissible de l'éLément e (= (EI)o/MO) 0 0 L = la longueur de l'élément Pour mieux comprendre ces désignations, on peut se reporter à La figure 6 de la présente demande. IL peut être démontré que les relations suivantes sont approximativement exactes: Co = KRM (1) La longueur (L) nécessaire pour l'éLément L = (EI)0 1 (2) M0 VR L'angle (A) dont doit fLéchir l'éLément est e Ae= (DAB (3) e (Ei)0B VR'L L'évolution requise de la raideur en flexion (EI) le long de l'élément = [ (4) (E) (EI) [1 + KR.X + T 2 Le moment maximal à l'extrémité inférieure de l'éLément A2 M = r ie (5) mx.M0 + KR.L + T.R Mmax 0 'e 2 2 616858 - 4 - On déduit de L'équation (2) que pLus La raideur minimale en flexion (EI)0 de l'éLément est faibLe, plus L'élément peut être court. L'équation (5) démontre que le moment maximal transmis à la fondation est en rapport direct avec la longueur (L) de l'éLément et du rayon de courbure (Re) admis. IL est donc intéressant de rendre cet élément e aussi souple que possible. Dans le cas o la colonne est fabriqué dans un matériau souple comme, par exemple, un matériau composite (fibres de carbone/fibres de verre/ résine) et l'éLément est constitué d'un matériau raide comme de l'acier par exemple, il est possible que le moment admissible (M0) à la jonction entre eux soit beaucoup plus faible dans la colonne que dans l'éLément. Il y a deux solutions possibles. L'éLément peut être fait plus long que nécessaire pour lui-même. L'alternative est d'introduire un joint de transition de plusieurs mètres de long et de section constante entre la colonne et l'éLément à raideur variable. La solution optimale, pour éviter d'avoir à introduire un joint de transition entre la colonne et l'élément à raideur variable, est que l'extrémité supérieure de l'élément soit au moins aussi souple en flexion que la colonne elle-même. Dans le cas d'une colonne comportant des matériaux composites (fibres de carbone/fibres de verre/résine), la souplesse requise est difficile à obtenir. L'idéal serait de fabriquer l'élément également en matériau composite. Actuellement il est difficile de réaliser une telle pièce avec la variation de raideur requise. Dans le cas d'un élément en acier ou titane, l'épaisseur minimale 2 616858 - 5 - nécessaire pour sa tenue mécanique conduit à une raideur en flexion bien supérieure à celle d'une colonne en matériau composite. La présente invention résoud ce probLème. Selon la présente invention, la raideur en flexion d'un élément en métal peut être réduite en y introduisant des fentes longitudinales, et l'étanchéité est assurée par une chemise. Cette chemise peut être conçue pour résister à la traction ainsi qu'à la pression. Aussi, la partie métallique fendue joue un rôle de raidisseur contre la flexion. L'invention consiste à entourer un tube en composite de coquilles en métal ou éventuellement en d'autres matériaux en une ou plusieurs couches. Les dimensions (largeur et épaisseur) de chaque coquille sont conçues pour que l'évolution de la raideur de l'ensemble tube plus coquilles le long de l'élément soit celle requise par un pied de riser à raideur variable tout en respectant les contraintes limites des différents composants de l'élément. Les coquilles peuvent être noyées dans un matériau souple pour protéger le tube en composite. Elles peuvent être maintenues ensemble par un frettage externe. Le moment de flexion peut être transmis à la fondation à travers le connecteur du tube en composite. Il peut également y être transmis indépendamment en créant un couple entre deux points d'appui. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la description qui suit d'exemples --6 particuLiers illustrés par les figures ci-jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente un schéma d'ensemble qui comporte une plate- forme marine, une colonne et un joint de connexion de celle-ci au fond de l'eau, - la figure 2 représente une coupe d'un joint selon la présente invention, - la figure 3 est une vue développée du raidisseur selon la présente invention, et - la figure 4 représente un mode de réalisation de la base d'un joint servant au transfert des efforts au soL, - la figure 5 montre un détail du raidisseur selon la présente invention, et - la figure 6 sert à introduire Les grandeurs déjà mentionnées précédemment. Sur La figure 1, la référence 1 désigne le fond marin auquel doit être fixée la colonne 2 par l'intermédiaire de l'éLément de connexion 3 selon la présente invention. La référence 4 désigne la surface de l'eau sur laquelle flotte une plateforme 5, par exemple à lignes tendues 6. La colonne est soumise à un effort de traction symbolisé par la flêche 8 pouvant être exercée à partir de la plateforme 5. - Cette platefome ainsi que la colonne sont soumises du fait, notamment, du vent et des courants 35 à des déplacements symbolisés par les flêches 7. Ces déplacements imposent une déformation de la colonne 2 du type illustré à la figure 1. - 7 Afin que ces déplacements n'entrainent pas une rupture rapide du pied de la colonne à l'endroit o celle-ci est encastrée au sol, la présente invention propose un connecteur 3 à raideur variable de faible encombrement. La figure -2 illustre une coupe de l'élément à raideur variable comportant deux couches de lames ou Goquilles respectivement désignées 9 et 10. Sur l'exemple représenté, la première couche 9 ou couche interne comporte 6 lames désignées par les réfrences 9a, 9b...9f et la deuxième couche 10 ou couche externe comporte 3 lames 10a, 10b et 10c. Bien entendu, le nombre de couches de lames ainsi que le nombre de lames par couche n'est nullement limitatif et sera fonction des matériaux utilisés, ainsi que des conditions de fonctionnement. La figure 3 représente les deux couches de lames sous forme développée vues de l'extérieur. Dans l'exemple représenté à la figure 3, l'extrémité supérieure 11 et 12 des différentes lames des couches 9 et 10 respectivement ont une section droite qui diminue au fur et à mesure que l'on s'éLoigne du fond de l'eau qui est sensé être vers Le bas de cette figure 3. Les lames de la couche interne 9 sont plus hautes que celles de la couche externe 10. Sur la figure 3, on note que les lames ont une forme droite (à section constante) sur leur partie inférieure 15 et 16 et que les espaces interLames 13 et 14 ont été aménages entre les lames d'une même couche de manière à permettre le libre déplacement des unes par rapport aux autres pour réduire les frottements entre lames. 26 1 6858 - 8 - Pour les même raisons, un espace inter-couches 17 pourra être maintenu libre entre la couche interne 9 et externe 10. Ces espaces inter-lames et inter-couches pourront être avantageusement remplis d'un matériau déformable 14 tel, par exemple, un matériau élastomère. La référence 19 désigne la chemise d'étanchéité qui assure la continuité avec la colonne. Cette chemise peut être réalisée dans le même matériau que la colonne notamment Lorsque celle-ci comporte des matériaux composites. Avantageusement, on maintiendra un espace entre la paroi externe de la chemise d'étanchéité 19 et la couche 9 de lames internes et cet espace sera rempli d'un matériau déformable 20 permettant le transfert latéral des efforts. Ce matériau pourra comporter un élastomère. Par ailleurs, ce matériau pourra être le même que celui qui occupe Les espaces inter-lames et/ou inter-couches. Ce matériau pourra être mouLé et/ou vulcanlsé autour des lames et des couches 10 et de la chemise d'étanchéité. Sur l'exemple représenté à la figure 2, chacune des couches internes 9 et externes 10 est inscrite sensiblement sur un cylindre et sont sensiblement coaxiales à l'axe 21. La référence 22 désigne un organe de frettage circonférentiel autour des lames externes de la deuxième couche 10. Bien entendu, on pourra introduire un matériau déformable tel de l'elastomère entre l'organe de frettage et la deuxième couche 10 dans la mesure o.ces deux derniers ne se touchent pas. 26 1 6858 -9- La figure 4 représente une vue partielle en coupe de l'élément à raideur variable selon la présente invention correspondant au détail représenté en D sur La figure 4. La figure 5 illustre un mode de transfert des efforts exercés sur l'élément à raideur variable au fond de l'eau 1. Sur cette figure, seuls les lames de l'éLément à raideur variable ont été représentées. La chemise d'étanchéité fait partie intégrante de la colonne 2. La connexion-de la colonne à l'installation de fond 23 se fait par un connecteur 24 qui assure la continuité avec l'installation de fond de l'espace étanche défini par l'intérieur de la colonne. Les efforts de traction sont transmis directement par la colonne à l'embase par l'intermédiaire du connecteur 24. Les efforts de flexion encaissés par les lames des couches 9 et 10 sont transmises à l'embase 25 par des piliers 26 sensiblement verticaux. Ces piliers peuvent être au nombre de quatre placés aux sommets d'un carré. Ces piliers sont connectés à au moins deux pièces de maintien 27 et 28 de l'extrémité inférieure 29 de l'élément à raideur variable. Ces pièces, qui peuvent être des anneaux, maintiennent l'extrémité inférieure de l'élément à raideur variable à deux niveaux différents suffisamment distants L'un de l'autre pour pouvoir transmettre dans de bonnes conditions le couple exercé sur la base de la colonne vers les piliers 26, via Les bras 30 et enfin des piliers vers L'embase 25. Cette embase peut être fixée au fond de l'eau éventuellement par des pieux non représentés. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en utilisant Z 616858 - 10 - d'autres organes de transfert du couple entre l'extrémité inférieure de L'élément à raideur variable et Le fond de L'eau. De même, on ne sortira pas du cadre de la présente invention si Les Lames sont solidaires Les unes des autres à leur extrémité inférieure et notamment si eLLes font partie d'une seule et même pièce. Les lames pourront être ou non d'épaisseur constante, de même qu'elles pourront être métalliques ou constituées d'un autre matériau ayant une raideur suffisante pour transférer le couple vers l'embase 25. -- On ne sortira pas du cadre de la présente invention en utiLisant l'éLément à raideur variable à au moins l'une des extrémités 31, 32, 33 ou 34 des lignes tendues 6 d'ancrage de la figure 1. - il - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Elément à raideur variable permettant la connexion entre l'extrémité d'une ligne et une installation fixe, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs coquilles. 2. - Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites coquilles ont une forme allongée dont la section droite est plus grande du côté de l'installation fixe que de l'autre côté. 3. - Elément-selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'au moins les parties supérieures des deux coquilles successives d'une même circonférence ne se touchent pas, par partie supérieure d'une coquille étant l'extrémité de la coquille la plus éloignée de ladite installation fixe. 4. - Elément selon la revendication 3, caractérisé en ce que la partie supérieure d'au moins une coquille à une forme d'ogive. 5. - Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une au moins desdites coquilles a une épaisseur sensiblement constante. 6. - Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches de coquilles sensiblement coaxiales. 7. - Elément selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdites coquilles sont métalliques. 8. - Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite ligne est une ligne tendue. - 12 - 9. - ELément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'installation fixe est placée au fond de l'eau, en ce que ladite ligne comporte une autre extrémité fixée à une installation flottante de surface, telle une plate-forme marine. 10. - Elément selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite ligne est une colonne montante.