Brevet FR2620413A1 — publié le 19890317

L'invention concerne un élément constitutif d'une ligne d'ancrage caténaire, une ligne d'ancrage caténaire de grande longueur, par exemple une ligne d'ancrage d'une longueur supérieure à- 300 mètres, ainsi qu'un dispositif et un procédé de montage et de pose de cette ligne d'ancrage. Les engins flottants utilisés pour la re- cherche et l'exploitation des hydrocarbures en mer nécessitent l'emploi de lignes d'ancrage dont l'ex- trémité est solidaire d'une ancre de marine ou fixée à un pieu foré, pour assurer leur maintien en place contre les forces entrainant leur dérive, par exemple produites par le vent ou les courants marins. Les besoins de l'exploitation des gisements pétroliers à des profondeurs de plus en plus importan- tes nécessitent l'utilisation de lignes de très grande longueur joignant le fond à la surface. - Pour l'ancrage des plateformes pétrolières, des bouées ou des pétroliers de stockage, il peut être nécessaire de disposer de lignes d'ancrage à de très grandes profondeurs d'eau, par exemple de l'ordre de 300 à 1000 mètres. Il est tout-à-fait classique de réaliser une ligne d'ancrage sous la forme d'une chaine, par exem- ple à maillons soudés. Cependant, dans le cas d'une ligne d'ancrage de grande longueur, par exemple supé- rieure à 300 mètres, le poids de la chaine est trop important par rapport à la capacité de traction de cette chaine. En fait, une grande partie de la résistance mécanique de la chaine est alors dévolue au supportage de la cha ne elle-même et non à la retenue de l'engin flottant. La réalisation de la ligne d'ancrage sous la forme d'un câble est mieux adaptée aux lignes d'anc d- ge de grandes longueurs, du fait de la grande capacité de résistance à la traction du cible. Cependant, dans le cas o de très grandes longueurs sont nécessaires, la fabrication du cible et sa mise en oeuvre comme li- gne d'ancrage deviennent difficiles sinon impossibles. En particulier, le stockage et la manutention de très grandes longueurs de câble de gros diamètre posent desproblèmes extrêmement difficiles à résoudre. Le but de l'invention est donc de proposer un élément constitutif d'une ligne d'ancrage caténaire constituée par des éléments successifs reliés entre eux de manière articulée et une ligne d'ancrage caté- naire obtenue par assemblage de ces éléments consti- tutifs qui soit d'une grande efficacité et dont la fa- brication et la mise en oeuvre puissent être effec- tuées de manière simple, en utilisant les installa- tions et le matériel habituels dans la technique pé- trolière. Dans ce but, l'élément constitutif de ligne d'ancrage suivant l'invention est constitué par un tube de grande longueur fermé de façon étanche i l'eau à chacune de ses extrémités, délimitant un volume in- térieur rempli d'air lui conférant une flottabilité importante. L'invention est également relative à un dis- positif et à un procédé de réalisation d'un ancrage par assemblage et mise en oeuvre d'une ligne consti- tuée d'éléments suivant l'invention. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemples non limi- tatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'une ligne d'ancrage suivant l'invention et de ses éléments constitutifs, ainsi qu'un procédé et un dispositif de montage et de pose et des utilisations de cette ligne d ancrage. La figure 1 est une vue latérale d'une por- tion de ligne d'ancrage suivant l'invention. La 'figure 2 est une vue latérale avec coupe partielle d'une articulation de liaison de deux tubes successifs de la ligne d'ancrage, suivant un premier mode de réalisation. La figure 3 est une vue latérale d'une arti- culation de liaison de deux tubes successifs de la li- gne d'ancrage, suivant un second mode de réalisation. Les figures 4, 5, 6 et 7 illustrent divers modes de mise en oeuvre et d'utilisation d'une ligne d'ancrage suivant l'invention. Sur la figure 1, on voit un tronçon d'une ligne d'ancrage suivant l'invention désigné de façon générale par le repère 1. La ligne d'ancrage 1 constituée sous forme caténaire comporte des segments successifs 2 reliés entre eux par des articulations 3. Comme il est visible sur l'ensemble des fi- gures 1, 2 et 3, chaque segment 2 est constitué par un tube 2a fermé à chacune de ses extrémités par une pié- ce de fermeture et de liaison 2b. Les pièces 2b sont des pièces forgées com- portant un fond 4 de fermeture du tube et une proémi- nence 5 de liaison. Le fond plein 4 comporte un rebord cylindrique de même diamètre que le tube 2a et qui est soudé, par exemple par friction, à l'extrémité du tube, suivant la zone de raccordement 6. L'extrémité du tube 2a sur laquelle est effectué le raccordement présente une épaisseur supérieure à l'épaisseur cou- rante du tube. Chacun des tubes 2a fermé à ses deux extré- mités par les fonds 4 des pièces 2b délimite un volume intérieur rempli d'air totalement étanche vis-à-vis du milieu extérieur. Chacun des éléments 2 de la ligne d'ancrage possède ainsi une flottabilité importante lorsqu'il est plongé dans un liquide tel que l'eau de mer. Les deux modes de réalisation de la ligne d'ancrage représentée sur les figures 2 et 3 ne diffè- rent que par la constitution du dispositif de liaison articulée 3 entre les éléments successifs 2. Dans le cas du mode de réalisation représen- té sur la figure 2, le dispositif de liaison articulé 3 est constitué par deux manilles 8a et Bb engagées l'une dans l'autre et reliées chacune à l'extrémité de liaison 2b d'un tube 2a, les deux tubes 2a successifs étant ainsi reliés de manière articulée. Chacune des manilles est reliée à la proéminence 5 correspondante par un axe 10 engagé dans des ouvertures alignées de la proéminence 5 et des deux proéminences solidaires des extrémités des branches de la manille. L'axe 10 est fixé, après assemblage, par une goupille 11. Les proéminences 5 successives sont dispo- sées à 90 l'une par rapport à l'autre. Sur la figure 3, on a représenté un second mode de réalisation o les proéminences des tubes successifs sont dans des positions parallèles. Le moyen de liaison articulée 3 est constitué par un maillon démontable connu sous le nom de maillon Kanter. Ce maillon 12 comporte, de manière connue, deux parties distinctes 12a, 12b reliées entre elles suivant des zones d'articulation et de liaison 13. Une pièce centrale d'assemblage 14 et un logement de goupille 15 permettent d'assurer la liaison des deux parties 12a et 12b du maillon, après mise en place et aomSlage. Dans les deux modes de réalisation décrits et représentés, le dispositif de liaison 3 agit comme un joint universel et permet une orientation relative quelconque des deux tubes successifs. De plus, les deux tubes ont une latitude de déplacement relatif axial qui peut être relativement importante, dans le cas de la liaison par des manilles. Dans les deux cas, l'assemblage et la liai- son des deux tubes successifs peuvent être réalisés très facilement et très rapidement. Dans le cas d'une ligne d'ancrage utilisée dans le domaine du forage ou de l'exploitation pétro- lière, en mer et à très grande profondeur, les tubes 2a pourront avoir une longueur de l'ordre de 9 à 12 mètres. Ces tubes en acier pourront être constitués par des tiges de forage, des masses-tiges, des élé- ments de cuvetage ou tout autre élément tubulaire en acier utilisé couramment dans la technique pétrolière et disponible chez les fabricants de tubes. De préférence, les tubes 2a auront un diamè- tre extérieur et une épaisseur de paroi tels que ce diamètre soit de l'ordre de trente fois cette épais- seur. Cette relation découle directement de la gé- ométrie du tube et du rapport des densités de l'acier et de l'eau de mer. Il est bien évident qu'en faisant varier ce rapport entre le diamètre et l'épaisseur du tube, on pourra obtenir la compensation de son poids par la poussée d'Archimède, que l'on désirera. Par ailleurs, l'épaisseur de paroi d'un élé- ment sera déterminée en fonction de la pression à la profondeur d'eau à laquelle cet élément devra être descendu. Aux grandes profondeurs on utilisera des éléments de ligne fabriqués à partir de tubes lourds à paroi épaisse et aux faibles profondeurs, des éléments légers à paroi relativement mince. En choisissant de manière adéquate, à la fois les dimensions transversales et la longueur des tubes constituant la ligne d'ancrage, on pourra agir sur la forme et la disposition de la ligne d'ancrage entre son point fixe et l'engin flottant. La ligne d'ancrage est entièrement consti- tuée par des éléments standard obtenus chacun par sou- dage de pièces forgées identiques à l'extrémité de tronçons de tube. Les dispositifs de raccordement articulé entre les éléments de ligne pourront être, soit fabri- qués spécialement, soit constitués par des éléments standard disponibles dans le commerce. La fabrication de la ligne d'ancrage peut donc se limiter à la réalisation de pièces d'extrémité forgées et à leur soudage bout à bout aux extrémités de tubes, par exemple par friction. Ces opérations peuvent être facilement automatisées. L'acier des tubes utilisé dans la technique pétrolière peut présenter une résistance à la rupture de l'ordre de 1000 MPa, cette résistance se compare favorablement à la résistance des aciers pour chaine qui ne dépasse jamais 900 MPa. En revanche, les cibles sont constitués de fils d'acier dont la résistance peut atteindre 1900 MPa après traitement. Cependant. l'allégement dû à la poussée u 'rchimède de la ligne d'ancrage suivant l'invention, lors de son utilisation, permet d'obtenir des perfor- mances très supérieures à celles des meilleurs cibles d'ancrage connus actuellement. De plus,'comme il sera expliqué ci-dessous, la ligne d'ancrage suivant l'invention peut être dé- ployée et mise en oeuvre, de façon aisée, grâce à sa constitution modulaire. Sur la figure 4, on a représenté un premier mude d'utilisation et de mise en oeuvre d'une ligne d'ancrage 1 suivant l'invention, dans le cas o l'on désire réaliser l'ancrage, sur le fond de la mer, d'une plateforme semi-submersible 20. Une barge 21 équipée d'une grue 22 est ame- née à proximité de la plateforme semi-submersible. On a chargé sur la barge 21 l'ensemble des éléments né- cessaires à la constitution de la ligne d'ancrage 1 de la plateforme. Ces éléments peuvent être constitués par plusieurs dizaines d'éléments tubulaires tels que les éléments 2 qui ont été décrits ci-dessus et par plusieurs dizaines de dispositifs de liaison articulée 3. On réalise, au niveau d'une installation de montage et d'assemblage 23, grâce à la grue 22, l'assemblage de tronçons de la ligne d'ancrage constitués chacun par un élément tubulaire 2, pour obtenir une certaine longueur de cette ligne d'ancrage. Le premier segment de la ligne d'ancrage est relié à la plateforme 20, de manière habituelle. On poursuit le montage de la ligne d'ancra- ge, à partir de la barge 21, jusqu'au moment o cette ligne d'ancrage a atteint une longueur suffisante. On équipe alors l'extrémité de la ligne obtenue d'une ancre de marine qui est ensuite immergée ou on relie l'extrémité finale de la ligne à un pieu foré, grâce à t....te.iel adapté et connu de la technique. L'assemblage et le déploiement de la ligne ont été réalisés grâce à la grue 22 et au dispositif 23, selon une technique connue de l'art antérieur, pour la constitution d'un train de tiges de forage ou d un cuvelage. Le dispositif 23 peut être constitué par toute table d'assemblage de tiges de forage ou toute table à cuvelage. Il est bien évident également que d'autres moyers utilisés couramment dans les techniques de fo- rage ou de pose de pipe-lines pourront être utilisés. De tels moyens peuvent être constitués par des treuils élévateurs, des cales ou divers moyens de gerbage de tubes: La barge 21 peut être constituée, de manière avantageuse, par une barge de manutention et de pose de pipe-lines ou par une barge d'approvisionnement des plateformes de forage permettant le transport et la fourniture de colis de poids élevés. Sur la figure 5, on a représenté un second mode de mise en oeuvre d'une ligne d'ancrage 1 suivant l'invention, l'extrémité de cette ligne d'ancrage 1 étant reliée par l'intermédiaire d'une chaîne 31, de structure classique à maillons, à un pieu foré 30 fixé dans le fond de la mer 32. La chaine a été constituée et déployée en utilisant la barge 21 mise en oeuvre dans le mode de réalisation de la figure 4. La ligne d'ancrage 1 est assemblée depuis la barge 21 puis reliée au pieu 30 et enfin la barge 21 assure grâce à sa grue 22 la liaison de l'extrémité supérieure de la ligne 1 à l'engin flottant dont on désire réaliser l'ancrage, par exem- ple une plateforme semi-submersible ou une bouée. 2 6 2 0 4 1 3 Sur la figure 6, on a représenté un troisiè- mode de réalisation de la mise en oeuvre d'une li- gne d'ancrage 1 suivant l'invention. Une plateforme de forage 35 de type dynami- que porte un derrick 36 et une grue de manutention 37. Plusieurs dizaines d'éléments destinés à ccnstituer la ligne d'ancrage 1, à savoir les segments 2 et les éléments d'articulation 3 ont été stockés préalablement sur la plateforme 35. Les moyens de manutention et d exploitation T.e!.tionnéS sont utilisés pour réaliser le montage et le déploiement de la ligne d'ancrage 1 à l'extrémité de laquelle est fixée une ancre de marine 38. Lorsque la ligne d ancrage 1 atteint une longueur suffisante supérieure à la profondeur d'eau au niveau de la pla- teforme 35, l'ancre 38 réalise la fixation de la pla- teforme sur le fond marin. Sur la figure 7, on a représenté un quatriè- me mode de mise en oeuvre et d'utilisation d'une ligne d'ancrage 1 suivant -l'invention. La ligne d'ancrage est assemblée et déployée depuis un pétrolier de sto- ckage 40. Des moyens de manutention et d'assemblage 41 et 42 fixés sur la superstructure du pétrolier permet- tent le montage de la ligne 1 élément par élément, comme dans les cas précédents. Une ancre de marine 43 permet l'ancrage du pétrolier lorsque la ligne a atteint une longueur suf- fisante. Dans le cas de la mise en oeuvre selon l'une des figures 6 et 7, il est bien évident qu'on peut fixer l'extrémité de la ligne d'ancrage 1 sur un pieu foré tel que le pieu 30 représenté sur la figure 5, au lieu de réaliser l'ancrage à partir d'une ancre de ma- rine. 26204 13 Dans tous les cas, la forme en chainette prt!? par la ligne d'ancrage en service dépend de la longueur des segments 2, de leur flottabilité, de la profondeur d'ancrage et des forces latérales s'exer- çant sur l'engin flottant, par exemple sous l'effet du vent ou des courants marins. La ligne d'ancrage suivant l'invention est donc d'une grande efficacité, d'une réalisation simple et d'un coût limité. De plus, sa fabrication et sa mise en oeuvre peuvent être réalisées par des opéra- tisns simples effectuées grâce à des matériels exis- tant dans le domaine du forage et de l'exploitation pétrolière. Les caractéristiques de résistance mécanique et de'flottabilité de la ligne peuvent être facilement adaptées à chaque cas particulier et la longueur tota- le de la ligne d ancrage peut être, de par sa concep- tion' modulaire et la compensation de son poids par poussée d'Archimède, portée à une valeur très élevée, supérieure à ce qu'il en est pour toutes les réalisa- tions connues actuellement. Cette longueur pourra par exemple être comprise entre 600 et 1200 mètres. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits. C'est ainsi qu'on peut utiliser des tronçons de tube d'une longueur quelconque, supérieure ou infé- rieure aux longueurs données ci-dessus. On peut utili- ser tout dispositif de liaison articulé entre les tronçons tubulaires de la ligne d'ancrage, à partir du moment o ces dispositifs de liaison peuvent être fa- cilement assemblés, dans les conditions.d'exploitation existantes. On peut envisager la réalisation d'une ligne d'ancrage non seulement en assemblant bout à bout des 1 1 éléments constitutifs tubulaires suivant l'invention mais encore en disposant de tels éléments constitutifs de manière espacée et en les reliant par des tronçons de ligne d'ancrage suivant l'art antérieur. Enfin, la ligne d'ancrage suivant l'inven- tion peut être utilisée dans d'autres domaines que la recherche et l'exploitation pétrolière. 2 6 2 0 4 1 3 REVENDICATIONS 1.- Elément constitutif d'une ligne d'ancra- ge caténaire constituée par des éléments successifs reliés entre eux de manière articulée, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un tube (2a) de grande longueur fermé de façon étanche à l'eau à chacune de ses extrémités, délimitant un volume intérieur rempli d'air lui conférant une flottabilité importante. 2.- Elément de ligne d'ancrage selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que le tube (2a) est Ur, acier et que le rapport entre son diamètre exté- rieur et l'épaisseur de sa paroi est d'environ 30. 3.- Elément de ligne d'ancrage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube (2a) a une longueur comprise entre 9 et 12 mètres. 4.- Elément de ligne d'ancrage selon la re- vendication 3, caractérisé en ce que lesdits tubes (2a) sont constitués par des éléments tubulaires uti- lisés dans la recherche ou l'exploitation pétrolière, tels que tiges de forage, masses-tiges, éléments de cuvelage, 5.- Elément de ligne d'ancrage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (2a) est fermé à chacune de ses deux extrémi- tés par une pièce (2b) de fermeture et de liaison, adaptée à être articulée sur une pièce de même type, appartenant à un autre élément de ligne d'ancrage. 6,- Elément de ligne d'ancrage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pièce d'extrémité (2b) comporte une proéminence (5) percée d un trou. 7.- Ligne d ancrage caténaire pour grands navires, caractérisée en ce qu'elle est constituée par une pluralité d'éléments (2) selon la revendication 5 ou 6, articulés les uns aux autres. 8.- Ligne d'ancrage selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'épaisseur de paroi des éléments de ladite ligne est une fonction croissante de la profondeur d'eau à laquelle lesdits éléments doivent être immergés. 9.- Ligne d'ancrage suivant l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisée par le fait que deux éléments successifs sont articulés l'un sur l'autre par un dispositif de liaison (3) engagé dans les trous des proéminences (5) des pièces d'extrémité desdits éléments. 10.- Ligne d'ancrage suivant l'une quelcon- que des revendications 7 ou 8, caractérisée par le fait que deux éléments successifs sont articulés (3) l'un sur l'autre par deux manilles (8a, 8b) engagées l'une dans l'autre et comportant des axes d'assemblage (10) eux-memes engagés dans les trous des proéminences (5) des pièces d'extrémité desdits éléments. 11.- Ligne d'ancrage suivant la revendica- tion 7 ou 8, caractérisée par le fait que deux élé- ments successifs (2) sont articulés (3) l'un sur l'au- tre par un maillon Kanter engagé dans les trous des proéminences (5) des pièces d'extrémité (2b) corres- pondantes desdits éléments. 12.- Dispositif d'ancrage pour grands navi- res, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de manutention (22, 23, 36, 37, 41, 42) d'éléments tubu- laires du genre de ceux utilisés sur les plateformes de forage, plusieurs dizaines d'éléments (2) de ligne d'ancrage selon l'une des revendications 1 à 7, et plusieurs dizaines de dispositifs de liaison (3) desdits éléments (2). 13.- Procédé de mise en oeuvre d'une ligne d ancrage suivant l'une quelconque des reverdicdtio., 7 à 11, caractérisé par le fait que les éléments suc- cessifs (2> de ladite ligne sont assemblés entre eux sur le site d'opération, au moyen desdits dispositifs de liaison (3) puis descendus dans l'eau, au fur et à mesure de leur assemblage à l'aide de moyens de manu- tention adéquats. 14.- Procédé suivant la revendication 13, appliqué à l'ancrage d'une structure flottante de re- cherche ou d'exploitation pétrolière sous-marine, ca- ractérisé par le fait que lesdits éléments (2) sont descendus dans l'eau à l'aide des moyens de manuten- tion et d'assemblage (22, 23, 36, 37, 41, 42) d'élé- ments tubulaires dont sont équipées lesdites structu- res.