Brevet FR2653162A1 — publié le 19910419

- 1 - La présente invention concerne une coLonne montante pour grandes profondeurs d'eau. Cette colonne peut être utilisée soit dans le domaine du forage, soit dans le domaine de la production. La réalisation de forages en mer très profonde, par exemple au-deLà de 1. 000 m et notamment de 2.000 m, nécessite que soit revue l'architecture des colonnes actuelles. La difficulté soulevée par Le transport, la manutention, le stockage et la mise en oeuvre d'un très grand nombre d'éléments composant cette colonne, la résistance des tubes des connecteurs et des flotteurs soumis à des sollicitations statiques et dynamiques très éLevées et parfois difficile à connaître, la fabrication, l'emploi et la maintenance d'un très grand volume de boue, réduirait en effet dans une large mesure l'efficacité, la fiabilité et la sécurité du système de forage et des opérations. Par Les termes de colonne montante, tube prolongateur ou risers, on entend une colonne permettant le transfert, notamment de fluides, entre le fond de l'eau et une installation qui est située à un niveau supérieur, c'est-à-dire qui peut être située sensiblement à la surface de l'eau, ou être immergée. La présente invention fournit une colonne capable de travailler par de grandes profondeurs en surmontant les difficultés indiqués précédemment, sans trop pénaliser l'efficacité, ou la fiabilité de la colonne. -2- On peut observer, depuis quelques années, la tendance constante des opérateurs à augmenter le diamètre du riser (16" - 18 5/8" - 21") et la pression de service (série 10.000 - 15.000) des BOP, ceci allant de pair avec l'emploi de boue de densité élevée (densité maximale considérée dans cette étude: 17ppg soit 2,03). Cette évolution, justifiée par des raisons de sécurité et d'efficacité, est particulièrement pénalisante pour la tenue du tube prolongateur. Les problèmes liés au dimensionnement statique du riser apparaissent lorsque l'on dimensionne une colonne dépassant 1.000 m selon l'art antérieur. On constate que le volume intérieur du riser est plus grand que le volume du puits lui-même, dès que la profondeur d'eau dépasse 1.000 m (par exemple, le volume maximal du puits, qui sous 1.246 m d'eau, est de 164 m3, alors que le volume du riser atteint près de 200 m3). Il dépasse le double, voire le triple de ce volume à 3.000 m de profondeur d'eau. Cela n'est évidemment pas sans soulever de graves difficultés, techniques et économiques, pour la fabrication, le stockage, la maintenance, le contrôle et le traitement de la boue et, finalement, ni sans poser de question sur la sécurité de tels forages. Comme le poids apparent de cette boue doit être entièrement supporté par les tensionneurs, il en résulte une tension en tête de riser d'autant plus grande que la profondeur d'eau est grande, même si le poids propre du riser est nul (dans l'eau). Ceci a pour conséquence de nécessiter, d'une part, l'installation à bord des unités de surface d'une capacité de tensionnement suffisante, comptetenu des recommandations formulées dans les normes en vigueur à ce jour (standard API RP 2Q) et, d'autre part, l'emploi de tubes plus épais en partie supérieure du riser afin que les contraintes y restent limitées à des valeurs admissibles. Un tel dimensionnement montre que le rapport entre la tension minimale nécessaire en tête et la capacité de tensionnement disponible dépasserait, dans de nombreux cas, les 71 % autorisés par -3- le standard API RP 2Q, alors même que le poids apparent du riser aurait été pris égal à O, ce qui n'est ni conforme à la réalité, ni souhaitable, comme on Le verra plus loin. Enfin, la pression différenteille engendrée, dans la partie basse du riser, par l'écart entre la densité maximale de la boue (d mud = 2,03) et ceLLe de l'eau de mer (dsw = 1,03) nécessite, Là aussi, l'emploi de tubes très résistants. Ces observations illustrent, en fait, les difficultés que souLève le simple dimensionnement statique du riser du fait de l'augmentation du poids et de la pression de la boue qui y est contenue lorsque la profondeur d'eau s'accroit. On pourrait penser qu'il suffit, pour les surmonter, de recourir à des tubes suffisamment épais et à des connecteurs assez résistants. Ceci n'est malheureusement pas exact par suite des conséquences que cela aurait sur les flotteurs, d'une part et de l'aggravation du comportement dynamique du riser qui en résulterait, d'autre part En ce qui concerne les problèmes liés aux flotteur, les observations suivantes peuvent être faites: 1) Les tensions minimales en tête mentionnées ci-dessus ont été déterminées, comme on l'a dit, en supposant que le poids dans l'eau des éLéments de riser était nuL. Une telle hypothèse implique qu'une quantité suffisante de flotteurs leur soit attachée pour compenser complètement le poids des tubes et des connecteurs qui les constituent. 2) Or, on sait que la densité des flotteurs en mousse syntactique qui équipent habituellement les éLéments de riser est d'autant plus éLevée que la profondeur d'eau (et, par conséquent, la pression hydrostatique à laquelle ils doivent résister) est grande. Au-deLà de 2.000 m (200 bar), la tenue de ces flotteurs n'est d'ailleurs pas prouvée et les coûts de développement, de qualication et d'approvisionnement correspondants risquent d'être très éLevés. 3) D'autre part, le diamètre extérieur des flotteurs doit être inférieur à une certaine valeur, de l'ordre de 1,2 m (47 pouces), pour permettre leur passage dans la table de rotation 125,7 cm -4- (49 1/2 pouces) pendant Les manoeuvres du riser. Le voLume des flotteurs et, par conséquent, la flottabilité induite sont donc physiquement limités. Ainsi, il existe dans La pratique une profondeur au-deLà de laqueLle les mousses syntactiques ne permettent plus de compenser complètement le poids du riser, le manque de flottabilité devant alors être compensé par une pLus grande capacité installée de tensionnement. Cette profondeur peut être estimée à environ 2.000 m. En ce qui concerne les problèmes liés au comportement dynamique du riser, plusieurs facteurs concourent à La détérioration du comportement dynamique des risers Lorsque la profondeur d'eau augmente: 1) Lorsque le riser, connecté à La tête de puits, est soutenu par les câbLes à tension constante d'un système d'anti-piLLonnement, on constate que la réponse dynamique de celui-ci est d'autant moins bonne que la tension appliquée est plus grande. En d'autres termes, pour une densité de boue donnée, la raideur du système croît avec la profondeur d'eau. Il s'ensuit, à pilonnement constant, une augmentation de l'amplitude des osciLLations de la tension (autour de la tension moyenne) dans toutes Les sections du riser qui doit être prise en compte dans les caLcuLs de tenue en fatigue des tubes et des connecteurs. 2) Mais c'est lorsque le riser, non connecté à la tête de puits, est suspendu sous le support flottant sans découplage des mouvements de pilonnement relatifs de ce riser et du support en cas de tempête ou de manoeuvre, que la situation est la plus préoccupante. L'accroissement de la longueur du riser provoque, en effet, une augmentation au moins proportionnelle de sa masse. Si, de plus, on considère que, d'une part, les tubes et les connecteurs doivent, pour les raisons exprimées plus haut, être plus résistants et donc plus Lourds et que, d'autre part, Les flotteurs qui leurs sont adjoints ont une densité d'autant plus éLevée que la pression hydrostatique ambiante à laqueLLe iLs doivent résister est grande, on conçoit que le facteur de proportionnalité est, en fait, supérieure à 1. Cette augmentation rapide de La masse du riser quand la profondeur d'eau augmente provoque L'émergence de deux phénomènes, peu importants et souvent négligés pour les profondeurs d'eau faibLes et moyennes. Ces phénomènes peuvent alors conditionner Le dimensionnement et Leurs caractéristiques, Leurs causes et leurs effets doivent être étudiés avec soin: L'accroissement des surtensions dues à L'inertie du riser au cours des grandes tempêtes peut provoquer Le détensionnement, partiel ou total, de La partie supérieure du riser et y induire, en corrélation avec Les autres mouvements (cavalement, embardée) et l'action directe de la houle, des contraintes de flexion rédhibitoires. L'éLévation de La période propre en vibrations Longitudinales au-delà des valeurs pour Lesquelles L'amplitude du piLonnement est nulle, pourrait Limiter considérablement, même par temps relativement calme, les opérations de manoeuvre du riser en raison des risques qu'elles présenteraient. Les problèmes Liés au contrôLe des éruptions et à La sécurité du forage sont, en définitive, de moindre importance sur La conception et Le dimensionnement du riser par rapport à la situation existante pour Les profondeurs d'eau moindres. Les principales contraintes dans ce domaine, lorsque La profondeur d'eau s'accroit, sont les suivantes: 1) La pression de service des Lignes de sécurité ("KiLL and choke lines"), portée à 1. 050 bar (15.000 psi), nécessite des tubes plus épais qui contribuent à augmenter le poids du riser et, par conséquent, à accroître Les problèmes Liés à son comportement dynamique (voir ci-dessus). 2) L'augmentation des pertes de charges induites dans ces lignes au cours des opérations de contrôle des éruptions rendent ces dernières plus délicates et périLLeuses à effectuer. 3) L'éLoignement de La tête de puits et la pression intense qui y règne rendent pLus difficile à déceler La présence éventuelle de -6- gaz dans le puits et à agir en conséquence, en fermant à temps les vannes des obturateurs. La présence de quantités notables de gaz dans le tube central du riser devient donc plus probable. 4) Cela se traduit par la nécessité renforcée d'utiliser des matériaux parfaitement résistants à la corrosion provoquée par les effluents pétroliers, en particulier par l'hydrogène sulfuré H2S. ) Il en résulte aussi le risque de voir ce gaz, une fois décomprimé, emplir partiellement ou complètement l'intérieur du tube principal dont la paroi, insuffisamment épaisse pour résister à la comprssion hydrostatique qui s'ensuivrait, ne permettrait pas d'éviter l'écrasement (collapse). Le dernier type de problèmes évoqué concerne la difficulté qu'il y a à stocker sur le pont des supports flottants le grand nombre d'éléments composant le riser lorsque sa longueur augmente. Plusieurs facteurs doivent être considérés: 1) La résistance de la structure de la plateforme, sous les aires de stockage, doit être suffisante pour supporter la masse totale de ces éléments (voir ci-dessus). 2) Le volume occupé par les éléments, compte-tenu de la dimension des flotteurs, doit être compatible avec les emplacements disponibles et avec la stabilité navale de l'appareil. 3) Le rangement et la manutention du riser doivent permettre la mise en oeuvre, selon un ordre précisément établi, d'éléments de caractéristiques différentes (épaisseur du tube central, densité des flotteurs...) d'autant plus nombreuses (4 ou 5) que la profondeur d'eau est plus grande. L'utilisation des moyens de manutention automatique des éléments de riser, de plus en plus répandus sur les appareils modernes, doit aussi être considérée. La colonne montante pour grande profondeur d'eau selon l'invention comporte un tube principal ou tube prolongateur, des lignes périphériques. Cette ligne se caractérise notamment en ce qu'elle présente au moins deux des caractéristiques suivantes: - utilisation d'un chemisage interne du tube prolongateur, - utilisation de flotteur sur la seule partie supérieure du tube -7- prolongateur, - utilisation de tube prolongateur et/ou d'au moins une ligne périphérique dont la masse est plus faible que celle d'un tube équivalent en acier et/ou respectivement d'une ligne périphérique équivalente en acier. Bien entendu, la colonne selon l'invention pourra reproduire les trois caractéristiques. Le tube prolongateur et/ou l'une au moins desdites lignes périphériques pourra être réalisé en partie au moins en un matériau métallique de faible densité, tel un alliage de titane ou/et comporte un matériau composite. La réduction de masse pourra être obtenue par renforcement par frettage d'une partie au moins du tube prolongateur ou d'une partie au moins de l'une au moins des lignes périphériques. Le renforcement par frettage pourra être obtenu par l'enroulement d'un ruban de renfort autour de ladite partie au moins dudit tube prolongateur ou de ladite partie au moins de l'une au moins desdites lignes périphériques. La partie supérieure pourra comporter les flotteurs sur une Longueur ou profondeur au plus égale à 2.000 m. La partie supérieure pourra comporter les flotteurs a une longueur ou profondeur inférieure ou égale au 2/3 de la longueur totale de ladite colonne. Le tube prolongateur pourra être constitué par l'assemblage de plusieurs éLéments comportant des connecteurs de type à baïonnette. Le tube prolongateur pourra être constitué par l'assemblage de plusieurs éLéments et la colonne pourra comporter un chemisage du tube prolongateur, ledit chemisage étant réalisé par l'assemblage de plusieurs éLéments de chemisage, chacun desdits éLéments de chemisage étant suspendu à un éLément correspondant du tube prolongateur. - 8 - Ainsi, le chemisage interne du tube prolongateur est traité non plus comme un tubage descendu dans le riser, mais comme une ligne interne de chaque élément du riser, mise en place au fur et à mesure de la descente de celui-ci, et permet de résoudre la plupart de ces difficultés comme décrit dans la demande française déposée au nom de l'Institut Français du Pétrole le 7 août 1989 et qui fait partie de la présente demande. 1) Fiabilité du montage mécanique et de l'étanchéité entre deux tubes consécutifs qui s'obtient par simple emboîtement. 2) De par cette conception, le chemisage n'est dimensionné que pour une différence de pression entre l'intérieur du tube et l'espace annulaire. Il ne travaille pratiquement pas en traction et est peu sollicité dynamiquement. Son poids est donc réduit, et celà d'autant plus que des matériaux de flottabilité (mousses syntactiques par exemple) peuvent être placés dans l'espace annulaire. 3) Ce type de chemisage ne nécessite aucun tensionnement, ni vissage ou serrage de connecteurs lors de sa mise en oeuvre dans le riser qui devient très simple et rapide. 4) Le comportement mécanique de l'ensemble "riser/chemisage" peut, à tout moment, être optimisé en modifiant la nature et la pression du fluide emplissant l'espace annulaire, grâce aux lignes de communication haute et basse prévues à cet effet. ) En cas d'intervention sur les obturateurs de sécurité BOP (Blow Out Preventers) nécessitant la remontée du riser alors que le chemisage est en place à l'intérieur, il est possible de remonter, de stocker et de redescendre simultanément le riser et le chemisage, ces opérations pouvant donc être effectuées sans perte de temps supplémentaire. Dans la pratique, l'emploi d'un chemisage ne devient nécessaire qu'à partir d'une certaine profondeur d'eau, dépendant des données particulières du cas considéré, mais qui est de l'ordre de 2.000 m. Il serait pris en compte de la façon suivante dans le dimensionnement statique du riser: _-9- - dimensionnement du tube central au tube prolongateur pour un fonctionnement sans chemisage et la tension en tête disponible, compte tenu d'une densité de boue compatible avec la réalisation des premières phases de forage (jusqu'à 44,5 cm, soit 17 1/2"), - dimensionnement du tube central pour un fonctionnement avec chemisage et la densité de boue la plus lourde demandée pour la réalisation des phases de forage en petit diamètre, - le dimensionnement finalement retenu serait le plus performant des deux ainsi obtenus. Un des avantages induits par l'emploi du chemisage est, comme on l'a vu, de dégager une capacité de tensionnement, employée jusqu'alors pour soutenir le poids de la boue, qui s'ajoute à celle résultant de l'augmentation prévue du nombre de tensionneurs devant équiper l'appareil de forage lorsque sa profondeur d'eau d'intervention augmente. Cette capacité de tensionnement supplémentaire peut être mise à profit pour supprimer les flotteurs dans la partie inférieure du riser, ce qui présente de nombreux avantages: 1) Non-emploi des flotteurs dans les profondeurs d'eau o ils sont les moins performants, les plus coûteux et o leur diamètre serait supérieur au diamètre de passage dans la table de rotation. 2) Diminution substantielle de la masse totale du riser contribuant à résoudre les problèmes liés au comportement dynamique (diminution des surtensions) et au stockage. 3) Augmentation du poids dans l'eau du riser, complétant l'effet précédent pour résoudre efficacement et de manière entièrement fiable, puisque passive, les difficultés soulevées par le comportement dynamique (augmentation de la tension moyenne). Dans la pratique, on s'est fixé comme objectif d'éviter l'emploi des flotteurs en mousse au dessous de 2.000 m de profondeur d'eau environ, profondeur jusqu'à laquelle leur efficacité a été démontrée dans des conditions opérationnelles. Une diminution supplémentaire de la masse du riser peut être obtenue selon la présente invention, en augmentant quand cela est - 10 - possible, la résistance des tubes vis-à-vis de la pression interne, au moyen d'un frettage obtenu en enroulant sous tension autour de ces tubes des bandes en matériau composite (fibres de verre, de Keviar ou de carbone enrobées dans une résine thermoplastique), selon une technique décrite dans le brevet US-4.514.245. Cette technique permet de multiplier par un facteur au moins égal à 2 la résistance circonférentielle des tubes, sans augmenter leur poids ou, inversement, de réduire leur poids pour une résistance donnée. Le principe de fonctionnement des tubes frettés peut être illustré en considérant l'évolution des contraintes circonférentielles dans le tube en acier et dans le frettage en composite lorsque la pression interne augmente de 0 jusqu'à l'éclatement. Quatre phases principales peuvent être décrites: 1) Sous pression nulle, la précontrainte induite dans le tube en acier par les rubans, est d'autant plus grande (en valeur absolue) que la tension d'enroulement et le nombre de couches sont eux-mêmes grands. Ceci permet d'ajuster, au stade de la fabrication, la valeur de la précontrainte au strict besoin justifié par les conditions de service des tubes. 2) Lorsque la pression augmente, les contraintes dans les deux constituants du tube s'accroissent linéairement, mais en général beaucoup plus rapidement dans l'acier que dans le composite en raison des raideurs différentes des deux matériaux. Cette phase se poursuit jusqu'à ce que la contrainte dans le tube en acier atteigne la limite élastique. 3) Au-delà du franchissement de la limite élastique dans l'acier, c'est le frettage composite qui reprend la plus grande partie des efforts supplémentaires et qui "retient" le tube en acier, empêchant son éclatement qui interviendrait très rapidement en son absence. Cette phase se poursuit jusqu'à la rupture des rubans qui, eux, ne possèdent pas de domaine plastique. 4) L'éclatement final intervient dès la rupture des rubans, le tube en acier étant bien entendu incapable de supporter la pression à lui tout seul. - 11 - Par rapport à un tube classique en acier, le domaine d'utilisation du matériau en terme de contraintes est donc élargi dans les deux directions: - Vers les valeurs négatives (effet de précontrainte), le zéro d'origine étant décalé (de - 322 MPa dans l'exemple précédent). En fait, cela revient à augmenter artificiellement la limite élastique de l'acier sans soulever les problèmes habituels des aciers à haute résistance (mauvaise soudabilité, tenue médiocre à la corrosion et en fatigue, mise en oeuvre délicate, coût élevé). Dans l'exemple précédent, la limite élastique apparente serait supérieure à 760 MPa, alors que la valeur réelle n'est que 437 MPa (acier X65). - Au-delà de la limite élastique de l'acier, on a vu qu'il existait une marge importante avant l'éclatement des tubes (effet d'autofrettage) qui peut être mise à profit pour optimiser leur dimensionnement. Ainsi, contrairement aux critères utilisés habituellement, il est possible d'utiliser la quasi-totalité du domaine élastique de l'acier pour le fonctionnement en service ou en test des tubes, le facteur de sécurité nécessaire, parfois imposé par les règlements, étant induit par l'effet d'auto-frettage. Ainsi, dans l'exemple précédent, on s'est arrangé pour que la contrainte à la pression de test (1.575 bar) ne soit que légèrement inférieure à la limite élastique, un facteur de 1,5 existant encore avant l'éclatement (2.350 bar), alors que sans frettage, il ne serait pas possible, dans des conditions identiques, de dépasser 70 % de cette même limite élastique. Cette technique de renforcement par frettage composite des tubes travaillant à la pression interne sera largement utilisée pour l'architecture des risers. On prévoit, en particulier, de l'employer pour la constitution des tubes suivants: 1) Les lignes de sécurité ("kill and choke lines") dont la pression de service de 1.050 bar nécessiterait l'emploi de tubes en acier de 1" (25,4 mm) d'épaisseur. Celle-ci peut être ramenée à 10 mm (du même acier) grâce au frettage composite. Leur poids total (embouts compris) est ainsi divisé par un facteur 2 en même temps que leur - 12 - diamètre intérieur des tubes est sensiblement augmenté (94 mm au lieu de 76 mm) afin de faciliter le contrôLe des éruptions et de contribuer à améliorer la sécurité des forages. 2) Le tube principal dans la partie inférieure du riser, de façon à lui donner une résistance suffisante pour que, sans augmenter l'épaisseur d'acier, les contraintes circonférentielles n'y dépassent pas la limite fixée par API RP 2Q. La méthodologie employée pour le dimensionnement de ce tube dans la suite de l'étude sera la suivante: 10. détermination de l'épaisseur du tube principal en acier du seul point de vue des contraintes longitudinales, statiques et dynamiques, de traction et de flexion, détermination des caractéristiques du frettage composite pour donner à ces tubes une résistance suffisante vis-à-vis de la pression interne, vérification du niveau admissible des contraintes combinées de Von Mises. 3) La méthode sera appliquée à la partie inférieure des tubes de chemisage, à la différence près que, dans le concept propose, ceux-ci n'ont pas à être dimensionnés pour résister à la traction qui y est très faible. L'épaisseur du tube en acier peut donc être réduite au minimum compatible avec les impératifs opérationnels et industriels. L'allègement du tube prolongateur par des matériaux de faible densité permet de mieux résoudre les problèmes posés précédemment. Un tel allégement peut être obtenu en remplaçant pour tout ou partie du riser, l'acier constitutif du tube principal (tubes et connecteurs) par l'alliage de titane, par exemple du type Ti-6A1-4V trois fois plus performant si on considère sa résistance spécifique (rapport de la limite élastique à la densité) et, aussi, plus résistant en fatigue et à la corrosion marine et pétrolière. De tels tubes peuvent être obtenus par les opérations suivantes: emboutissage à la presse de tôles dans un outils "matrice/poinçon", - 13 - de façon à obtenir des coquilles semi-cylindriques, - réalisation des tubes élémentaires par soudage longitudinal, suivant deux génératrices, de deux demi-coquiLLes, - raboutage, par soudage circulaire, de tubes élémentaires et de pièces d'extrémité de façon à obtenir des éLéments de tubes prolongateurs. La demande de brevet français FR-2.620.956 propose un procédé de fabrication de tube en titane. Le tube en titane pourra être renforcé par le frettage composite de manière analogue à celle décrite ci-dessus et un chemisage en acier, de conception identique à celle définie plus haut, devra être déployé sur toute sa longueur. Cette architecture très performante devrait permettre l'extension du concept de tube prolongateur jusqu'à au moins 12.000 pieds (3.600 m) de profondeur d'eau, à la réserve près que les problèmes soulevés par une période propre en vibrations longitudinales égale ou supérieure à 7 secondes ne se révèlent pas rédhibitoires. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaitront plus clairement à la description qui suit d'exemples particuliers, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-jointes parmi lesquelles: - la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'une colonne selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent en coupe cette colonne à deux côtés différents, - la figure 4 illustre un éLément constitutif de la colonne, cet éLément étant équipé de moyens réduisant son poids apparent dans l'eau, tels des flotteurs, et - la figure 5 est une coupe d'un élément de la colonne dont le tube prolongateur est renforcé par un frettage externe. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une installation de surface, tel un navire. La référence 2 désigne les moyens de fixation au fond de l'eau 3 de cette colonne à une tête de puits 4. Cette connexion se - 14 - fait par L'intermédiaire d'un joint flexible 5. La colonne selon L'invention est désignée dans son ensemble par la référence 6. Sur cette figure Les Lignes périphériques n'ont pas été dessinées afin de ne pas alourdir La représentation. La colonne 6 comporte deux parties. La première désignée par la référence 7 est composée d'éléments 7a, 7b...7n équipés de flotteurs 8. La deuxième, référencée 9, ne comporte pas de flotteur et est constituée par l'assemblage d'éléments 9a, 9b...9n. Ainsi, le tube prolongateur selon la présente invention ne comporte de flotteurs que sur La partie la plus haute de la colonne. A titre d'exemple, la présence de flotteurs pourra être interrompue à partir des profondeurs supérieures de 2.000 m. La colonne selon la présente invention, ou une partie de cette colonne qui ne comporte pas de flotteur, pourra être réalisée en matériaux allégés, par exemple par l'utilistion de titane, de matériau composite, ou par l'utilisation de frettage à base de matériau composite, par exemple à l'aide d'un ruban frettant un tube. La partie du tube prolongateur équipée de flotteur pourra comporter des flotteurs, en continu ou par intermittence. Bien entendu, la présence de flotteurs pourra être interrompue au voisinage de l'installation de surface. La figure 2 est une coupe selon la ligne AA de la colonne suivant l'invention. On a considéré dans cette coupe que le tube principal de la colonne n'était pas équipé de chemisage interne. La référence 8 désigne Le flotteur. Ce flotteur comporte des dégagements 11 adaptés à recevoir Les Lignes périphériques 12. Le flotteur est fixé autour du tube principal 13. Dans cet exemple, les lignes périphériques sont solidaires du tube prolongateur 13 par l'intermédiaire de bras 14. La figure 3 représente une coupe suivant la ligne BB de la colonne à unniveau o les flotteurs 8 ont été supprimés. Seuls subsistent les Lignes périphériques 12 fixées au tube prolongateur 13 par l'intermédiaire de bras 14. Par ailleurs, dans la figure 3, on a considéré le cas de - 15 - L'utilisation d'un chemisage 15 qui permet de réduire La quantité de boue circulant à l'intérieur de la colonne, par exemple lors de forage de faible diamètre. Ces chemisages internes peuvent avantageusement être réalisés conformément à La demande déposée le 7 août 1989 sous le EN. 89/10.755 au nom de l'Institut Français du Pétrole. La figure 4 illustre un élément de la colonne, la colonne étant constituée par l'assemblage de plusieurs de ces éléments, qu'ils soient ou non équipés de flotteurs. Dans l'exemple retenu à la figure 4, La colonne est réalisée par l'assemblage d'éléments déjà équipés de leurs lignes périphériques. La référence 16 désigne l'élément dans son ensemble. Cet élément comporte deux extrémités 17 et 18. Les références 19, 20 et 21 désignent des lignes périphériques qui sont assemblées au tube prolongateur 22 par l'intermédiaire de moyens de fixation pouvant comporter des brides (non représentées), des plaques 23 et des colliers 40. L'élément représenté à la figure 4 comporte des flotteurs 8. L'assemblage des deux éléments adjacents se fait par les connecteurs pouvant être du type à balonette 24 et 25. L'assemblage de deux éléments adjacents réalise la connexion des lignes périphériques entre-elles, en assemblant les extrémités 26, 27 et 28 aux extrémités adjacentes des lignes périphériques correspondant aux extrémités 29, et 31. La figure 5 représente une coupe d'un élément composant la colonne selon l'invention. Les lignes périphériques portent les références 32, 33 et 34. Ces lignes périphériques sont reliées à l'élément du tube prolongateur 35 par l'intermédiaire de bras 36, 37 et 38. Dans ce mode de réalisation, l'élément du tube prolongateur 35 est renforcé par un frettage 39 qui peut être réalisé selon les enseignements du brevet américain N. 4.514.245. Le mode de réalisation réunissant l'ensemble des éléments représentés aux figures 1 à 5 permet de réaliser des opérations de - 16 - forage ou de production pour des profondeurs d'eau supérieures à 2.300 m. Un tel mode de réalisation réunit les trois caractéristiques qui permettent d'atteindre de telles profondeurs d'opération. Ces caractéristiques sont l'utilisation de flotteurs uniquement sur la partie supérieure de la colonne, l'utilisation d'un chemisage 15 pour une partie des opérations faisant appel à l'utilisation de boue dense dont la densité est voisine ou supérieure à 2 et enfin L'utilisation d'un tube prolongateur 35 ou de masse plus faible que Les éLéments équivalents réalisés en acier. Ceci peut être obtenu par L'uiLisation de matériau de faible densité, teL le titane, par L'utilisation d'un tube réalisé en matériau composite à matrice organique ou autre, ainsi que par l'utilisation de renfort par frettage. Cette dernière technique permet d'améliorer la tenue mécanique d'un tube sans en augmenter excessivement Le poids. Selon La présente invention, on peut réaliser un frettage du tube prolongateur et/ou des Lignes périphériques 32, 33 et 34. Le frettage 39 permet d'avoir des éléments du tube prolongateur Légers ayant de bonnes performances mécaniques, notamment aux différences de pression existant entre La partie interne de ces élements et le miLieu ambiant. Bien entendu, on ne sortira pas du cadre de l'invention si on réalise les éléments du tube prolongateur en des matériaux de faible densité, teL le titane, ou en les réalisant à l'aide de matériaux composites, notamment à matrice organique renforcée par des fils en fibre de verre, ou Kevlar, carbone. De même, selon La présente invention, seule une partie de la colonne pourra comporter un tube prolongateur, ou des lignes périphériques renforcées par frettage. En effet, c'est vers les plus grandes profondeurs que de tels agencements sont nécessaires. Les effets bénéfiques des mesures d'architectures explicitées ci-dessus seront mieux compris par la description d'un cas d'application particulier, correspondant à un riser selon l'invention, - 17 - pouvant travailler dans 3.000 m de profondeur d'eau. Les principales données utilisées dans cette description sont définies ci-après: - profondeur d'eau: 3.000 m - diamètre extérieur du riser: 533,4 mm (21") - longueur effective des éLéments: 22,86 m (75ft) - lignes périphériques: kiLL and choke lines (pression de service: 15. 000 psi) booster and hydraulic Lines ( pression de service: 5.000 psi) densité maximale de la boue: 1,68 (14ppg) jusqu'à la pose du tubage 13 3/8" À 2,03 (17ppg) au-deLà - critères de dimensionnement: API RP 2Q capacité de tensionnement: 908t (2.000kip) utilisable à 71 % (645t) matériaux utilisés: acier X80QT (limite élastique: 560 MPa) titane Ti-6AL4V (limite élastique: 830 MPa) fibres de Kevlar et résine polyamide pour le frettage À mousses syntactiques pour les flotteurs - densité des flotteurs: * 0,368 (pour des profondeurs jusqu'à 650 m) * 0,456 (pour des profondeurs jusqu'à 1.350 m) * 0,513 (pour des profondeurs jusqu'à 2.000 m) Les lignes directrices utilisées pour la définition des caractéristiques du riser découlent des indications déjà fournies dans la présente demande. Les plus importantes d'entre elles sont rappelées ciaprès: 1) les lignes de sécurité ("kill and choke Lines") ont un diamètre intérieur de 93 mm (3,7') et sont renforcées par un frettage composite, 2) une partie des éléments du riser possède un tube principal en alliage de titane, ce qui permet de réduire considérablement leur poids, 3) l'épaisseur du tube principal est calculée en considérant - 18 - uniquement les efforts longitudinaux de traction et de flexion; la résistance aux efforts circonférentiels exercés par la pression est ajustée par un renforcement optimisé du tube au moyen du même procédé de frettage composite, 4) un tube de chemisage est mis en place à L'intérieur du riser après la pose du tubage 340 mm (13 3/8"); la résistance circonférentielle de ce tube est aussi augmentée, en fonction des besoins, par un frettage composite, ) les contraintes principales (LongitudinaLes, radiales et circonférenteilles) et la contrainte combinée de Von Mises sont Limitées, en conditions normales de forage, à 1/3 de la limite élastique du matériau constitutif du tube principaL, 6) une partie des éléments de riser sont équipés de flotteurs de façon à ce que leur poids apparent dans l'eau soit théoriquement nul. Toutefois, l'emploi de flotteurs en mousse syntactique n'est pas retenu au-delà de 2.000 m de profondeur d'eau; trois éléments sans flotteurs sont aussi prévus en partie supérieure du riser. La composition du riser a été définie au terme d'une étude générale, statique et dynamique, des contraintes dans le tube principal. Ses principales caractéristiques sont données dans le tableau ci-après: Nombre Matériau Epaisseur Densité Diamètre Longueur Masse Masse Poids d'éléments utilisé du tube flotteurs flotteurs effective flotteurs totale apparent 3 acier 19,1rm - - 69m - 30t 25t 26 acier 19,1ram 0,368 1,10 594m 126t 39It 0 t 29 acier 19,1mmn 0,456 1,16 663m 202t 497t Ot t 29aie 3 29 acier 19,1mm 0,513 1,21 663m 252t 547t Ot titane 12,7nm - - 1029m _ 248t 202t 132 mixt.e 3018m 580_ 1713t 227t_ Les précisions complémentaires suivantes peuvent être apportées aux données précédentes: 1) Le titane n'a été utilisé que pour les 1.000 m inférieurs du riser, l'acier étant conservé sur la plus grande partie de la longueur. Plusieurs considérations sont à la base de ce choix: - 19 - - le coût des tubes en titane étant très supérieur à celui des tubes en acier, il est important de limiter au plus juste Leur nombre. - La masse totale du riser résuLtant de cette architecture est, comme on le verra, suffisamment réduite pour lui conférer un comportement dynamique acceptable dans les conditions météo-océanographiques Les plus sévères considérées. Un riser dont la tube principal serait entièrement réalisé en titane et dont la masse serait, de ce fait, inférieure à 1.000 t, serait recommandé pour des profondeurs d'eau plus importantes (jusqu'à 3.500 ou 4.000 m). - la période propre du riser ainsi défini est, dans tous les cas, inférieure à 7 secondes, alors qu'elle dépasserait cette valeur dans l'hypothèse d'un tube consituté entièrement en titane, ce qui pourrait présenter de graves inconvénients. Le raccordement entre les éléments en acier et ceux en titane se ferait, sans difficulté particulière, au moyen de joints courts spéciaux. 2) Le diamètre des flotteurs a été calculé en supposant qu'ils recouvraient la quasi-totalité du tube de chaque élément et que la présence des lignes périphériques réduisait à 85 % le volume efficace occupé par les mousses. On constate que le diamètre ainsi calculé est compatible avec le passage de tous les éléments du riser dans la table de roation 49 1/2" (1,26 m). 3) Le rapport du poids apparent à la masse du riser est de 13 % ce qui est, comme on le verra, une valeur suffisante pour Lui conférer une excellente stabilité et empécher son détensionnement. 4) Des équipements complémentaires ont été pris en compte dans les calculs présentés ci-après. Ce sont: - un joint téléscopique, de longueur 30 m et de masse 20 t, constituant la liaison entre le riser proprement dit et le support flottant lors des opérations de forage. En situation d'attente, le joint télescopique est retiré et le riser est suspendu sous le support, posé sur une table rotulante (spider) - 20 - ou pris par d'autres moyens, - une articulation élastique constitue la liaison entre Le riser et la tête de puits lorsque le premier est connecté à la seconde, - la tête de puits comporte, sous l'articulation, le joint de connexion (masse 125 t) et le BOP 47,6 cm (18 3/4") - 15.000 proprement dit (masse 225 t). L'ensemble de ces deux pièces d'équipement ou la première seulement pouvant être suspendue sous le riser lorsque celui-ci n'est pas connecté (manoeuvre ou situation d'attente), - des joints courts ayant diverses fonctions (ajustement de longueur, raccordement acier/titane, joint de mesure, vanne de remplissage...) peuvent aussi être présents sans que cela modifie les résultats présentés ci-après. Des calculs estimatifs ont montré que la colonne selon l'invention possède un comportement mécanique satisfaisant et compatible avec les exigences de sécurité indispensables pour son emploi opérationnel. L'angle en pied du riser est maintenu dans la limite de fixée par l'API si le déport en tête n'excédait pas 1 % de la profondeur d'eau et si le courant n'était pas très violent. Dans le cas contraire, une tension supplémentaire de quelques dizaines de tonnes devrait être appliquée. Ces calculs estimatifs ont permis de constater que le comportement mécanique, tant statique que dynamique, du riser est parfaitement maîtrisé. Les contraintes de toutes espèces restent inférieures au tiers de la limite élastique, valeur maximale qu'on s'est fixée, et l'amplitude des surtensions est très nettement inférieure à la tension moyenne, écartant ainsi tout risque de détensionnement et ne sollicitant pas le matériel au-deLà de ses limites. Ceci s'ajoute aux avantages directs induits par Les diverses mesures explicitées dans ce papier: réduction très importante du volume de boue dans les phases de forage o elle est la plus lourde, suppression des flotteurs Là o ils sont le moins - 21 - performant et le plus cher, réduction importante du poids des éléments de riser, facilitant leur stockage et leur manutention sur Le pont des plates-formes, plus grande efficacité des lignes de sécurité, par suite de L'augmentation de leur diamètre de passage. Cet ensemble de qualités, rendu en grande partie possible par l'emploi intensif de matériaux nouveaux, confère indéniablement à la nouvelle architecture du riser une remarquable aptitude à être utilisée, en toute sécurité, dans les profondeurs d'eau les plus grandes actuellement envisagées pour des forages en mer. De plus, la nature des solutions mises en oeuvre, caractérisée par une disponibilité permanente et qui, à l'inverse de dispositifs concurrents comme les flotteurs à air ou le tensionnement actif du riser, ne nécessitent aucune intervention humaine ou matérielle pour être efficace au moment opportun, assure au système de forage une grande fiabilité et une productivité élevée, gages d'une rentabilité indispensables pour des opérations aussi risquées, tant sur le plan technique qu'économique. - 22 - REV E N D I C A T I O N S 1. - Colonne montante pour grande profondeur d'eau comportant un tube principal ou tube prolongateur, des Lignes périphériques, caractérisée en ce qu'elle présente au moins deux des caractéristiques suivantes: utilisation d'un chemisage interne du tube prolongateur, - utilisation de flotteur sur La seule partie supérieure du tube proLongateur, utilisation de tube prolongateur ou d'au moins une ligne périphérique dont la masse est plus faible que celle d'un tube équivalent en acier ou respectivement d'une ligne périphérique équivalente en acier. 2. - Colonne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle présente l'ensemble desdites trois caractéristiques. 3. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que ledit tube prolongateur ou l'une au moins desdites lignes périphériques est réalisé au moins en partie en un matériau métallique de faible densité, tel un alliage de titane. 4. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite réduction de masse est obtenue par renforcement par frettage d'une partie au moins du tube prolongateur ou d'une partie au moins de L'une au moins des lignes périphériques. 5. - Colonne selon la revendication 4, caractérisée en ce que ledit renforcement par frettage est obtenu par l'enroulement d'un ruban de renfort autour de ladite partie au moins dudit tube prolongateur ou de ladite partie au moins-de l'une au moins desdites lignes périphériques. 6. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 5 comportant des flotteurs sur ladite partie supérieure, caractérisée en ce que ladite partie supérieure comporte les flotteurs sur une longueur au plus égale à 2.000 m. - 23 - 7. - Colonne selon L'une des revendications 1 à 6 comportant des flotteurs sur ladite partie supérieure, caractérisée en ce que ladite partie supérieure comportant les flotteurs a une longueur inférieure ou égale au 2/3 de la longueur totale de ladite colonne. 8. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ledit tube prolongateur est constitué par l'assemblage de plusieurs éléments comportant des connecteurs de type à baïonnette. 9. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit tube prolongateur est constitué par l'assemblage de plusieurs éléments et en ce que ladite colonne comporte un chemisage du tube prolongateur, ledit chemisage étant réalisé par l'assemblage de plusieurs éléments de chemisage, chacun desdits éléments de chemisage étant suspendu à un élément correspondant du tube prolongateur. 10. - Colonne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit tube prolongateur ou l'une au moins desdites lignes périphériques comporte un matériau composite.