Brevet FR2640681A1 — publié le 19900622

La présente invention concerne un système de produc- tion destiné à des puits sous-marins, son élément principal étant une structure sous-marine du type à gabarit et col- lecteur, spécialement mise au point pour être utilisée dans des zones de production placées à des profondeurs de 1 000 m ou plus au-dessous de la surface de l'eau. L'exploitation des champs de pétrole dans les eaux profondes (profondeur dépassant 400 m) nécessite la pré- sence des puits producteurs au-dessous de l'eau, si bien que la tête de puits et la tête d'éruption doivent être placées au fond de la mer, un peu au-dessus du fond. Pour des raisons de rentabilité, on a regroupé en pratique, dans cette exploitation, divers puits dans une seule structure qui est montée au fond de la mer. Cette structure est connue internationalement sous le nom de "gabarit". Elle comprend habituellement une structure carrée ou rectangulaire dans laquelle sont disposés un nombre déterminé de puits qui sont séparés les uns des autres suivant un dessin déterminé par the American Petroleum Institute - API, qui indique une distance de 2,28 m comme distance minimale entre les centres des puits. Dans les années 1970, l'industrie du pétrole a commencé à adopter la production de puits sous-marins et des têtes d'éruption de type immergé ont été mises au point. Initialement, la production de divers puits satel- lites a été collectée dans un collecteur central puis transportée vers des ensembles flottants de stockage ou de production, ou vers des plates-formes fixes. Après la découverte de champs importants à des pro- fondeurs dépassant 400 m (limite habituelle de l'assistance des plongeurs) , l'industrie pétrolière a commencé à adopter la complétion sous-marine comme option la plus envisageable au point de vue de la rentabilité pour le développement de la production de ces champs de pétrole. Suivant les caractéristiques particulières des réservoirs producteurs, l'industrie a commencéà établir de nouveaux principes de gabarit afin qu'il soit possible de regrouper divers puits producteurs dans une seule zone et que la collecte de la production par un seul collecteur soit facilitée, celui-ci pouvant ou non être incorporé au gabarit. L'expression "coliecteur à gabarit" désigne des structures dans lesquelles le collecteur est associé au gabarit. Les collecteurs à gabarit sous-marin actuellement connus comportent des structures comportant des bases de guidage sur lesquelles sont installées les têtes de puits et les têtes d'éruption, ainsi que le collecteur de la production des puits. Etant donné que la distance entre les puits corres- pond aux normes internationales et que cette distance n'est pas grande compte tenu de la dimension de l'appareillage à mettre en place, il est facile de prévoir les difficultés de manoeuvre et de sécurité que rencontre la mise à l'état de production des puits. D'un point de vue opérationnel, on doit considérer que la structure du gabarit est habituellement très lourde et nécessite des fondations spéciales, un système à pieux et une mise à niveau rigoureuse, afin que le forage des puits et l'installation parfaite des têtes d'éruption soient possibles. La plupart des structures ont leur propre ensemble de mise à niveau, l'irrégularité acceptable (par rapport à un plan horizontal) étant de l'ordre de 1 . L'installation de ces structures au fond de la mer nécessite l'utilisation d'éléments de levage de taille considérable et de bonnes conditions de mer. Le coût de la mise en oeuvre de ces ensembles est assez élevé et la mise en place prend beaucoup de temps. Un autre problème qui existe souvent, même dans les structures qui sont montées en position élevée par rapport au fond de la mer, est le dépôt des déchets de forage autour des puits déjà complétés, pouvant nécessiter des opérations coûteuses et difficiles de nettoyage, en parti- culier en cas de fonctionnement à grande profondeur. Au point de vue de la sécurité, les difficultés sont encore plus grandes. Les opérations réalisées sur le gaba- rit, qu'il s'agisse d'un perçage (opération la plus longue) ou d'une complétion, nécessitent une grande précision. Le fait de travailler à de grandes profondeurs et de disposer des outils à l'extrémité du train de tiges (dispositifs anti-éruption, garnitures, têtes de puits, raccords, têtes d'éruption, etc.) rend très difficile l'exécution des tâches avec une grande précision dans les opérations de descente de tubage, de raccordement, d'accouplement, etc. Etant donné que tous les puits sont concentrés dans un seul "caisson", il est facile de comprendre le risque de chocs entre les ensembles qui sont placés en regard lors du mon- tage d'une tête d'éruption ou d'un dispositif anti-éruption (appareillage lourd et encombrant) alors que d'autres puits déjà forés ou complétés existent. Le brevet britannique n 2 003 533 décrit une struc- ture destinée à la résolution des problèmes précités de poids, de transport et d'installation. Il s'agit d'un gaba- rit flottant qui comporte une structure centrale dont des bras dépassent et se replient sur la structure centrale pendant le transport; un gabarit classique est monté à l'extrémité de chaque bras, et la structure centrale peut être utilisée comme gabarit. La structure est montée au fond de la mer par remplissage réglé des conduits consti- tuant la structure. Comme on peut le vérifier, le problème de l'espace- ment des-puits et de la sécurité de fonctionnement n'ont pas été résolus. Le brevet français n 2 440 997 décrit un système de production sousmarin dans lequel un certain nombre de puits individuels (satellites), forés à des emplacements différents dans le champ de pétrole, ont leurs productions qui sont reesemblées par un dispositif collecteur de pro- duction, placé au fond de la mer à un emplacement délimité dans les puits; la production d'un puits individuel est extraite par un collecteur installé dans une plate-forme submersible, à l'aide de canalisations d'extraction qui sont sous forme de groupes de canalisations partant du fond de la mer et remontant vers la plate-forme, le pétrole brut retournant vers le fond de la mer par une canalisation du groupe et étant ensuite transmis à une bouée pivotante permettant le chargement des navires pétroliers. La connexion entre les puits de production et le dispositif central collecteur est assurée par des canalisa- tions de raccordement supportées par des structures allon- gées et articulées, portées au fond de la mer et qui convergent en un point central qui doit constituer la base du dispositif collecteur de production. Les structures allongées qui supportent ces canalisations de raccordement ont ainsi, à une première extrémité, un guide afin que le puits puisse être foré et, à l'autre extrémité, une face centrale de base qui supporte le dispositif collecteur de la production. Le système décrit dans le dernier document cité résout partiellement certains des problèmes indiqués, mais les difficultés de mise en oeuvre, en particulier celles qui sont dues à l'alignement des points de connexion et au raccordement des outils, ne sont par résolues puisque les problèmes dus aux irrégularités du fond de la mer n'ont pas été prises en compte. L'invention a pour objet la réalisation d'un système de production sous-marin qui comporte une structure à gaba- rit sous-marin destinée à être utilisée à très grande pro- fondeur, qui est léger et qui donne une grande souplesse de fonctionnement. L'invention a aussi pour objet une structure très simple, très rentable et qui ne présentepas de restric- tions importantes dues aux irrégularités du fond de la mer. L'invention concerne aussi un système de production sous-marin comportant une structure à gabarit qui permet une augmentation de l'espacement des puits, augmentant ainsi la sécurité du travail de mise en oeuvre et réduisant les risques de chocs de l'outillage au moment de son montage. L'invention a aussi pour objet un système de produc- tion sous-marin, ayant une structure de forage et de com- plètement de puits de pétrole permettant l'utilisation de véhicules commandés à distance pendant les opérations dans lesquelles leur utilisation est nécessaire. L'invention concerne ainsi une nouvelle structure sous-marine destinée au forage, à la complétion et à la production de puits de pétrole, cette structure étant spé- cialement réalisée pour être utilisée à des profondeurs de 1 000 m et plus. Cette structure comporte un collecteur à gabarit disposé radialement à partir d'une fondation centrale sur laquelle la structure est destinée à être montée afin qu'elle soit à distance du fond de la mer et sur laquelle le collecteur central destiné à la commande de la produc- tion des puits est installé; des bras de la structure ont chacun, à son extrémité, une ouverture permettant l'adapta- tion d'une base de guidage destinée à permettre le forage des puits et la fixation d'une structure, un bras étant destiné à porter les raccords des canalisations d'extrac- tion et de commande des puits. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale, en coupe partielle, de la structure sous-marine incorporée au sys- tème de production sous-marin selon l'invention, montée sur la fondation centrale; la figure 2 est une vue en plan représentant huit bases de guidage montées à l'extrém té des bras de la structure, sept bras étant utilisés pour les puits sous- marins et l'un étant utilisé pour le montage des raccords des canalisations d'extraction et de commande; la figure 3 est une élévation latérale, en coupe partielle, d'un puits sous-marin avec son guide, le dépla- cement relatif entre le guide et la structure du gabarit selon l'invention étant indiqué; la figure 4 représente en détail le système de sup- port du guide du puits; la figure 4A est une coupe suivant la ligne A-A de la figure 4; la figure 5 est une élévation latérale, en coupe partielle, d'un puits placé à une extrémité de la struc- ture, la tête d'éruption et les raccords et canalisations de transport ayant été déjà montés; et la figure 6 est une élévation latérale du collecteur central de commande de production déjà muni du gabarit. Comme décrit précédemment, l'une des difficultés rencontrées pendant la phase de forage de puits sous-marins concerne le dépôt des déchets de coupe dans la structure du gabarit et sur les emplacements de prise d'image, si bien que le contrôle des opérations par des circuits de télévi- sion remontant à la surface est impossible. La structure sous-marine selon l'invention, consti- tuant une structure de transparence et de hauteur accrues, empêche l'accumulation des déchets de forage à l'intérieur puisque les emplacements de retour des déchets de forage des puits sont placés au-dessous du niveau de la structure. Au point de vue de la rentabilité, la structure présente certains avantages qui sont évidents. Comme il s'agit d'une structure légère, elle est peu coûteuse puis- qu'elle nécessite peu de matières premières et ne nécessite pas l'utilisation d'une grue importante pour son installa- tion. Sa fondation qui ne nécessite pas de système très précis de mise à niveau, peut être relativement simple, si bien qu'elle est peu coûteuse dans l'ensemble. Comme on peut le noter sur les figures 1 et 2, la structure sous-marine comporte un gabarit 1 ayant des bras 2 dépassant radialement d'une fondation centrale 3, et le gabarit 1 et le collecteur central de commande 31 (non représenté sur ces figures) sont montés sur cette struc- ture. Une ouverture 4 est placée à l'extrémité de chaque bras 2 du gabarit 1 afin qu'elle permette l'adaptation de guides 5 destinés au forage de puits. La figure 2 représente une structure à huit bras sur lesquels sept sont destinés au forage de puits alors que l'un d'eux est réservé au support de raccords 6 des canali- sations d'extraction et de commande de puits. Cependant, ni la construction des bras 2 en poutre-caisson comme repré- senté sur les figures ni le nombre de bras ne limite l'in- vention. La structure peut être adaptée au nombre de bras voulu, mais on note seulement que la configuration générale du gabarit est telle que l'un des bras est réservé pour le montage de raccords 6 et leur liaison au collecteur central 31 de commande. Les espaces 7 qui apparaissent sur la structure sont destinés à réduire son poids, habituellement important dans le cas des poutres-caissons, et à augmenter la transparence de la structure. Un avantage de la structure selon l'invention est que, pour son installation, on n'utilise que des outils et techniques classiques qui sont très connus des hommes du métier. Ainsi, comme l'indique la figure 1, la fondation centrale 3 est montée à partir d'éléments connus. Une base temporaire 8 est placée au fond de la mer avec un pieu 9 par la mise en oeuvre d'un fonçage par jets d'eau, le pieu étant fixé à la base 8 par un boîtier soudé au pieu 9 et bloqué par des boulons. L'ensemble du travail de montage de la fondation centrale 3 est contrôlé à la surface par un circuit de télévision afin que les conditions de mise à niveau soient convenables. A cet effet, un instrument 11 indiquant le niveau est placé sur une base temporaire 8 bien au-dessus de la sortie des déchets de forage et de l'orifice 10 de retour, si bien que les déchets de forage ne peuvent pas se déposer sur l'indicateur 11 de niveau. L'inclinaison maximale permise par rapport à la verticale est de 2 , car elle est limitée au jeu permis par le raccord de passage au moment du forage et de la complétion d'un puits. Comme dans la technique utilisée pour le forage d'un puits de pétrole, une tuyauterie 12 est introduite dans le pieu 9, cimentée et fixée par un autre boîtier sur lequel une seconde base 13 est destinée à être montée afin qu'elle permette le réglage d'un gabarit 1. Grâce à cette hauteur de la structure du gabarit 1, le problème du dépôt des déchets de forage est résolu. Le fait que la structure 1 soit maintenue en posi- tion haute par rapport au dessus du fond de la mer, en étant placée uniquement sur la fondation centrale 3, comme indiqué dans la suite, et en étant supportée par les guides des puits à forer à l'extrémité de chaque bras 2, empêche le dépôt des déchets de forage autour des puits, et n'empêche donc pas le contrôle des opérations depuis la surface. Un autre avantage de la structure sous-marine selon l'invention est qu'elle ne limite pas les opérations de forage, de complétion ou de production à une seule tech- nique. Par exemple, le forage du puits peut être réalisé à la fois avec une base de guidage munie de montants de gui- dage et de câbles de guidage 14 et des bases de guidage munies d'entonnoirs 15 de guidage, suivant la nature de la plate-forme qui est disponible. Cependant, quel que soit le choix réalisé, les ex- trémités des bras 2 de la structure du gabarit comportent des guides 5 destinés aux puits 16, ayant tous un boîtier 17 permettant un raccordement postérieur à distance, dans le cas o il peut être souhaitable de changer de système, par exemple dans la phase de production, et elles consti- tuent aussi un support pour le montage de raccords des conduites d'écoulement, comme décrit dans la suite. Dans le bras 2' réservé au montage des raccords 6 des canalisations d'extraction et de commande de puits, le guide 5 est utilisé pour l'installation d'une fondation destinée à supporter la structure 1. La figure 3 représente l'une des extrémités d'un bras 2 du gabarit par laquelle un puits 16 est en cours de forage. Les puits sont forés par l'intermédiaire des guides , suivant les techniques classiques, et par mise en oeuvre des séquences classiques d'opérations, Jusqu'à l'installa- tion d'une tête de puits. Un aspect important de l'invention concerne le sys- tème 22 de support du guide 5 du puits au niveau de la structure 1 du gabarit. Le pieu 18 et le tubage 19 de la surface ont des dimensions permettant l'encaissement de la plupart des contraintes appliquées dans la tête de puits, les con- traintes transférées à la structure 1 du gabarit et en conséquence à la fondation centrale 3 étant minimales. Ce résultat est obtenu à l'aide d'un système 2 à ressort représenté en détail sur la figure 4, placé à l'interface du guide 5 du puits et de la structure 1 à gabarit. Ce système à ressort 2 rend possible le contrôle des con- traintes précitées par inspection visuelle sur un circuit de télévision, avec corrélation entre la déviation présen- tée par le système 2 et le déplacement vérifié sur une tige graduée, introduite dans un système à ressort. L'invention concerne aussi un système de support de Joint à rotule qui permet des variations considérables d'inclinaison entre le puits 16 et le gabarit 1, c'est-à- dire rendant possible le forage du puits avec les inclinai- sons qui sont admissibles pour le raccordement des outils, indépendamment de l'inclinaison de la structure du gabarit. En pratique, une limite maximale de l'inclinaison 8 a été adoptée à une valeur de l'ordre de 6 , cette valeur étant considérée comme suffisante compte tenu des difficul- tés du forage d'un puits parfaitement vertical. Cette dif- férence est due à la fois à l'inclinaison 8 du gabarit et à celle du puits. Cependant, des valeurs supérieures à 6 peuvent être facilement obtenues avec un positionnement convenable des éléments limitant le mouvement du joint à rotule. Une telle caractéristique n'existe pas dans le cas -10 des gabarits connus jusqu'à présent et donne la souplesse de travail et la sécurité indiquées comme objet de la structure sous-marine selon l'invention, la rendant très avantageuse par rapport aux structures connues à cet effet jusqu'à présent. Les figures 4 et 4A représentent en détail le sys- tème à ressort 2 et le support 22 de guidage de puits. Lorsque le pieu 18 a été battu, il est bloqué sur le guide du puits à l'aide de l'anneau interne 22 par une bague interne 23 qui est fixée par deux axes 24 qui sont alignés sur l'axe longitudinal du bras 2 de la structure 1 à gaba- rit. Ainsi, le déplacement du guide 5 du puits autour de son axe longitudinal doit être libre, qu'il soit réalisé à l'aide de roulements à rouleaux montés sur les axes 24 ou par utilisation d'une bague 23 telle que le boîtier logeant les axes est supérieur au diamètre de ceux-ci. La bague interne 23 transfère les forces à la struc- ture du gabarit 1 à l'aide d'une seconde bague 25 recoupée par deux autres axes 26 placés dans le même plan que les deux axes précédents 24 et alignés sur un axe perpendicu- laire à l'axe longitudinal du bras 2 de la structure 1 si bien que l'ensemble peut aussi tourner autour de cette direction. En conséquence, la combinaison du mouvement autour de ces deux axes permet la mise verticale de la tête de puits quelle que soit l'inclinaison e de la structure 1, cette inclinaison e étant maintenue entre des limites spé- cifiées à l'aide du système de support à rotule 22. Bien que la possibilité d'un mouvement relatif entre le guide 5 du puits et la structure du gabarit 1 constitue un grand avantage, elle présente aussi certaines difficul- tés relatives à la garantie du respect des tolérances nécessaires à un raccordement parfait des têtes d'éruption qui doivent être montées dans la phase de complétion des puits. Ce problème peut être facilement résolu par montage de raccords de conduites 29 d'écoulement des puits au même niveau que le guide 5 des puits, à l'endroit o se trouvent les boitiers 17 de raccordement postérieur à distance. Ce mode de réalisation apparaît plus clairement par observa- tion de la figure 5. Cette figure représente une extrémité de la struc- ture du gabarit 1 dans laquelle un puits a été foré et complété, et les connexions ont été réalisées. Lorsque la tête d'éruption 27 est descendu dans le puits 16, elle doit être fixée simultanément au boîtier 28 sous pression élevée à partir duquel elle reçoit le pétrole produit, et au raccord 29 du conduit d'écoulement de la tête d'éruption 27 par l'intermédiaire duquel le pétrole produit est transmis au collecteur central 31 par des cana- lisations 30 de dimensions prévues spécialement à cet effet. Le collecteur central est représenté sur la figure 6 qui est décrite dans la suite. Le raccord 29 de conduite d'écoulement étant placé au même niveau que les fentes 14 d'installation du montant de guidage, le mouvement de la canalisation de circulation doit être identique à celui du guide 5 du puits puisque ces deux parties sont fixées l'une à l'autre. Ainsi, la posi- tion relative des points de raccordement de la tête d'érup- tion 27 est parfaitement réglée puisque l'inclinaison du guide 5 du puits est déterminée par l'inclinaison du puits 16 lui-même. La liberté de déplacement conférée au raccord 29 de la conduite d'écoulement de la tête d'éruption 27 par rap- port à la structure du gabarit 1 est facilement absorbée par les canalisations de transfert 30 qui sont suffisamment longues pour qu'elles permettent les déformations qui com- pensent les variations de positionnement relatif des diffé- rentes parties. La figure 6 représente en détail le collecteur cen- tral 31 qui, bien qu'il soit monté avec la structure 1 du gabarit, possède la propriété d'être amovible. La possibilité d'extraction du collecteur central 31 représente un avantage essentiel pour l'invention puisque, en cas d'accident et/ou de défaut de l'appareillage, les réparations peuvent être facilement réalisées. Comme le collecteur central est placé à des dis- tances égales des puits, pour des raisons de plus grande sécurité du système, il est entouré d'un écran 32 de pro- tection et comporte, à sa partie supérieure, une plate- forme 33 munie d'une palissade, recouvrant le collecteur central 31 et permettant le montage des véhicules de manoeuvre à distance si bien que l'identification des vannes est facile et l'accès, en cas de petite réparation, est commode. Une façon de remédier aux défectuosités de fonction- nement du collecteur, adoptée selon l'invention, comprend la concentration des éléments actifs de circulation (vannes et obturateurs) dans les têtes d'éruption 29, si bien que le collecteur central 31 n'a que des éléments passifs tels que des canalisations, certaines vannes à fonctionnement occasionnel qui peuvent être commandées par des véhicules manoeuvrés à distance, etc. La configuration du collecteur central 31 peut varier à cet effet, et peut avoir des configurations géomé- triques et des fonctions différentes, suivant l'objet voulu. Le collecteur représenté sur la figure 6 a des dimensions correspondant à la commande de sept puits. Les raccords 6 d'extraction et de commande sont montés à l'ex- trémité de l'un des bras 2' de la structure du gabarit 1 comme décrit précédemment. Le nombre de raccords néces- saires est déterminé par les caractéristiques particulières du projet d'exploitation d'un champ pétrolifère déterminé, et chaque raccord peut travailler avec plusieurs canali- sations. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux systèmes qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de production pour puits sous-marins de pétrole placés à une grande profondeur, du type qui com- prend une structure sous-marine destinée au forage et à la production des puits, caractérisé en ce que la structure (1) est disposée radialement depuis une fondation centrale (3) sur laquelle est montée la structure d'un gabarit (1) afin qu'elle soit maintenue à distance du fond de la mer, et sur laquelle le collecteur central (31) de commande de la production des puits est disposé, la structure à gabarit (1) formant des bras (2) qui comportent chacun, à son ex- trémité, une ouverture destinée à l'adaptation d'une base de guidage (5) qui permet le forage d'un puits (16) et la fixation de la structure (1), un bras (2') de la structure (1) étant destiné à supporter les raccords (6) des canali- sations d'extraction et de commande de puits. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure (1) comporte un système à ressort (2) muni d'un support à rotule (22) du guide (5) du puits, afin que les forces appliquées au niveau de la tète de puits soient transférées à la fondation centrale (3) de la structure à gabarit (1). 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système de support à rotule (22) rend possible le forage du puits avec l'inclinaison permise pour le raccordement des outils, indépendamment de l'incli- naison de la structure à gabarit (1). 4. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le système de support à rotule (22) permet des inclinaisons de la structure à gabarit (1) de l'ordre de 6 . 5. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les raccords (29) des canalisations d'écoulement des puits sont placés dans la structure (1) au même niveau que le guide (5) du puits si bien que le dépla- cement relatif des points de raccordement à la tête d'érup- tion (27) est conservé. 6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur central (31) est amovible et est placé au centre de la structure à gabarit (1) et sur celle-ci, et il est relié au raccord (6) des canalisations d'extraction et de commande de puits (16), ces raccords (6) étant concentrés à une première extrémité de l'un des bras (2') de la structure (1).