Brevet FR2754011A1 — publié le 19980403

La présente invention concerne un riser de production ou colonne montante équipé d'un flotteur individuel et d'un raidisseur approprié pour supporter différentes contraintes. La présente invention concerne aussi un système de production pour les effluents pétroliers, notamment la production de pétrole en utilisant un support flottant ancré au fond de la mer et en liaison avec un ou plusieurs puits de production par l'intermédiaire d'une ou plusieurs conduites montantes ou riser de production équipé d'un raidisseur au moins. Les systèmes de production sont habituellement installés pour des durées relativement élevées, par exemple 20 ans. Pendant toute la durée de leur installation et au cours des opérations de production, ils sont soumis à des contraintes extérieures, par exemple ils sont sollicités par la houle, le courant, le vent...... Habituellement le support flottant est ancré de manière statique au fond de la mer par un ensemble de chaînes ou de lignes tendues verticales ou obliques. Dans les deux cas, il conserve une certaine liberté de mouvement dans et selon différents axes, qui vont de quelques centimètres à plusieurs mètres pour les déplacements verticaux dus à la houle, connus dans ce domaine sous le terme de pilonnement et qui peuvent aller jusqu'à des dizaines de mètres dans le plan horizontal. Les rotations autour des axes horizontaux, roulis et/ou tangage, et d'un plan vertical dépendent des dimensions du support flottant, de son moyen d'ancrage, et de conditions de houle. Classiquement dans de telles installations, les colonnes montantes sont fixées d'une part à une structure sous-marine posée sur le fond et regroupant en général plusieurs têtes de puits, et d'autre part, sont en liaison directe ou indirecte avec la structure flottante. Ces dispositifs de liaison rendent les conduites montantes plus ou moins solidaires du support flottant et donc de ses déplacements, Afin de rendre ces déplacements tolérables par la colonne montante, des systèmes de suspension, mieux connus sous le terme de système de tensionnement, sont généralement mis en oeuvre, tels des systèmes de tensionnement hydraulique qui maintiennent en tête la colonne montante sous une tension à peu près constante et indépendante des mouvements du 3 5 support. Le système selon l'invention propose d'utiliser comme moyen de tensionnement découplé des colonnes montantes des flotteurs individuels, ce qui semble bien adapté à des mers peu agitées ou clémentes, o le support flottant ne subit pas de mouvements extrêmes. L'art antérieur décrit différents agencements ayant pour fonction notamment de reprendre les mouvements des supports flottants et de les déconnecter des colonnes montantes. Par exemple, le brevet NO 171 958 décrit une construction flottante utilisée pour la production de produits pétroliers comportant plusieurs colonnes montantes maintenues sous tension à partir des puits sur le fond marin jusqu'à une partie porteuse disposée de manière mobile par rapport à une structure flottante. Dans ce système, le pont porteur est en liaison avec la structure flottante par l'intermédiaire d'un dispositif de halage pour que le pont porteur puisse supporter à la fois des mouvements de balanciers et des mouvements verticaux, du fait des mouvements du support flottant. Les conduites montantes ou riser de production sont reliées au pont porteur par l'intermédiaire de moyens, tels des éléments élastiques pour supporter des mouvements élastiques verticaux et latéraux. L'utilisation des deux systèmes de halage et d'éléments élastiques permet d'éviter la transmission des mouvements vus par la structure flottante vers colonnes montantes de production. Toutefois, il fait appel à des dispositifs mécaniques relativement complexes, par exemple le système de halage, qui augmentent le coût et la complexité du système de production. Dans le brevet US 4,702,321, I'idée consiste à utiliser un caisson de taille suffisante pour contenir les risers et leurs flotteurs et les soustraire ainsi aux mouvements de la houle. Toutefois, ceci nécessite un encastrement du flotteur pour qu'il n'y ait pas contact entre ce flotteur et le support flottant susceptible d'induire d'importantes contraintes en sortie du système de guidage. La présente invention a notamment pour but de minimiser les contraintes existant au niveau des risers du fait du déplacement de la structure flottante en offrant un système plus simple mécaniquement que celui offert par les dispositifs connus de l'art antérieur. Dans la présente invention, contrairement à l'art antérieur, on n'utilise pas de systèmes ou moyens de tensionnement en fonctionnement normal, c'est-à-dire durant les opérations de production. La présente invention concerne un système pour la production d'effluents pétroliers à partir d'un ou plusieurs puits de production, jusqu'à un support flottant. Il est caractérisé en ce qu'il comporte, par exemple, en combinaison au moins les éléments suivants: o un riser de production équipé sur au moins une partie de sa longueur d'un moyen, telle qu'une bouée de tensionnement, permettant de mettre en tension ledit riser, o un dispositif de maintien et de guidage du riser par rapport audit support flottant, o un raidisseur d'une partie dudit riser située au- dessus de ladite bouée, ledit raidisseur étant adapté sur au moins une partie de sa longueur pour supporter au moins les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage, et les contraintes dues au poids des charges 1 0 supportées par ledit raidisseur. Le raidisseur comporte par exemple une enveloppe ou casing entourant par exemple la partie supérieure du riser de production, le raidisseur ayant des caractéristiques déterminées par exemple pour supporter au moins les contraintes mentionnées ci-dessus. La partie supérieure d'un riser située entre la bouée et la tête de puits, est composée par exemple d'un riser et d'une enveloppe externe entourant le riser, l'ensemble formé par ces deux éléments ayant des caractéristiques déterminées pour supporter les contraintes communiquées par les mouvements du support flottant au niveau du guidage sous l'effet par exemple de la houle, des vagues, du vent, du courant. Le dispositif qui a pour fonction de maintenir et de guider un riser, comporte, par exemple, par exemple, un système de roulement à rouleaux permettant le coulissement vertical du riser et guidant ses déplacements horizontaux dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulissement longitudinal. Le dispositif de maintien et de guidage du riser peut aussi comprendre, au moins un système de double roulement ou deux rotules. Selon un mode de réalisation du système de production, le riser est fixé par une première extrémité à un puits de production ou source d'effluents et par une deuxième extrémité à une tête de puits disposée, par exemple, au-dessus de la bouée de tensionnement. Dans ce cas, on considère pour dimensionner le raidisseur, le poids de la tète de puits. La tête de puits se situe, par exemple au voisinage de la structure flottante. Selon un mode de réalisation de l'invention, le système de production comporte plusieurs risers de production reliés par exemple à la structure flottante par une grille, lesdits risers étant reliés à la structure flottante par l'intermédiaire d'un moyen tel qu'une grille équipée de moyens pour guider et maintenir chacun des risers. Un riser peut être équipé d'un système auxiliaire de mise en tension liant le riser à l'enveloppe ou casing. La présente invention concerne aussi un riser de production ou colonne montante de production. Il est caractérisé en ce qu'il comporte au moins un raidisseur sur au moins une partie de sa longueur, le raidisseur est par exemple adapté pour supporter au moins les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage, et les contraintes dues au poids des charges supportées par ledit raidisseur. Le raidisseur comporte, par exemple au moins une enveloppe entourant ledit riser. L'enveloppe présente, par exemple, des caractéristiques adaptées par exemple pour supporter les contraintes mentionnées ci-dessus. Le système de production selon l'invention et le riser muni au moins d'un raidisseur sont avantageusement utilisés dans le domaine de la production pétrolière. La présente invention concerne aussi une méthode pour dimensionner un riser de production, le riser de production étant utilisé dans un système de production, par exemple, ledit riser communiquant avec au moins une source de production d'effluents pétroliers, par exemple, et étant en liaison avec un support flottant, le riser comporte, par exemple, un moyen de mise en tension, telle qu'une bouée de tensionnement. La méthode permet avantageusement de dimensionner la partie supérieure du riser située par exemple au-dessus de la bouée de tensionnement ou raidisseur pour supporter les contraintes induites au moins par les efforts transmis par l'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage, et les contraintes dues au poids des charges supportées par ledit raidisseur. La méthode est caractérisée, par exemple, en ce que l'on détermine les caractéristiques et dimensions du raidisseur par exemple, sa longueur, son épaisseur (épaisseur de son diamètre).... par une modélisation de l'influence d'un certain nombre de paramètres définis liés à la structure finale de production, telle que la géométrie de la cavité intérieure du support flottant, les caractéristiques de la ou les bouées de tensionnement, la liaison entre le riser et le support flottant, la position de la bouée de tensionnement par rapport à la surface libre moyenne et les conditions extérieures prévisibles. La présente invention offre donc un système plus simple que ceux décrits dans l'art antérieur du fait qu'il n'utilise pas de système mécanique de tensionnement entre le riser et le support flottant en fonctionnement normal, ce dernier étant remplacé par un système de flottaison et une partie de riser ayant des caractéristiques permettant de supporter des contraintes.' Ceci est rendu possible par l'environnement marin peu agité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins annexés sur lesquels: o la figure 1 schématise un système de production montrant notamment l'agencement particulier de la partie supérieure du riser de production selon l'invention muni d'un raidisseur par rapport à un support flottant, o la figure 2 montre une variante de réalisation des moyens de maintien et de guidage du riser, et o la figure 3 schématise un raidisseur équipant le riser comprenant un riser et une enveloppe ou casing. La figure 1 montre un système de production pris comme exemple pour mettre en évidence les particularités de l'agencement des différents éléments le constituant, notamment l'absence de système de tensionnement habituellement utilisé dans l'art antérieur en cours de fonctionnement normal entre un riser et le support flottant ou entre un pont porteur des risers et le support flottant. Le système de production comporte, par exemple, un support flottant 1 ancré au fond marin 2 à l'aide de moyens, par un ensemble de chaTnes ou de lignes tendues, par exemple des lignes d'ancrage 3, à proximité d'une source d'effluents pétroliers, par exemple un ou plusieurs puits de production 4. Le support flottant comporte une cavité 5 permettant de laisser passer le ou les risers de production 6. Un riser 6 de production est fixé par exemple par une première de ses extrémités à une structure sous-marine comportant un ou plusieurs puits de production par des moyens de connexion habituellement utilisés dans l'industrie pétrolière, par exemple. Le riser 6 est maintenu en tension vers le haut par une traction maintenue aussi constante que possible. Il est mis en tension de préférence, en disposant sur une partie de sa 275401 1 lonqueur et de préférence au niveau de sa partie supérieure un ou plusieurs flotteurs 7 ou bouées de tensionnement ayant pour fonction notamment de soulager la tension de tout ou partie de son poids propre. On peut utiliser une seule bouée de tensionnement, disposée vers l'extrémité supérieure du riser 6, de préférence, et dimensionnée de façon à prétendre le riser et à le conserver prétendu. On peut aussi répartir les moyens de tensionnement 7 tout le long de ce riser ou sur au moins une partie de sa longueur, en disposant par exemple plusieurs bouées de tensionnement, I'ensemble des bouées étant dimensionné pour prétendre le riser, par exemple. Avantageusement, on dispose au niveau de la jonction de la bouée et du riser, par exemple la jonction inférieure de la bouée, un limiteur de courbure 8, permettant de minimiser les effets de courbure et les contraintes vues par le riser sous l'effet des mouvements de la houle, des forces hydrodynamiques...... Dans cet exemple de réalisation nullement limitatif de l'invention et donné à titre illustratif notamment, la tête de puits 9 est disposée au niveau de l'extrémité supérieure du riser. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'imaginer d'autres positions pour la tête de puits par rapport au riser, par exemple, la tête de puits peut être disposée sur le fond marin, ou encore à différents niveaux entre le fond marin et la surface de la mer. L'extrémité supérieure du riser est reliée, par exemple au support flottant à l'aide de moyens 10 permettant le coulissement du riser longitudinalement selon un axe z et en même temps de le guider dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal, par exemple selon les axes ou directions x, y schématisées sur la figure 1. Les moyens 10 comportent dans cet exemple de réalisation des rouleaux permettant la liberté de rotation selon les trois directions x, y et z. Une des spécificités du système de production est d'éviter les dispositifs complexes de halage habituellement utilisés en fonctionnent normal et disposés entre un riser de production et une structure flottante, et de les remplacer par une adaptation de la partie supérieure du riser, ou raidisseur. Dans l'exemple donné à la figure 1, le riser de production présente au niveau de la partie située entre l'extrémité supérieure de la bouée de tensionnement qui lui est associée, et la tête de puits, des caractéristiques spécifiques déterminées par exemple selon la méthode décrite ci-après. La géométrie et les dimensions de cette partie de riser ou raidisseur 11 sont déterminées et adaptées pour supporter les contraintes vues par le riser, ces contraintes étant notamment induites par les efforts transmis par l'environnement marin d'une part, le passage en un point obligé avec coulissement sensiblement vertical au niveau des moyens de maintien et de guidage liés au support flottant d'autre part, et les contraintes dues au poids de l'ensemble. La détermination des caractéristiques du raidisseur 11 en tenant compte notamment des paramètres suivants: * les paramètres pris en compte pour dimensionner la partie supérieure du riser ou raidisseur, et/ou un ensemble de risers sont, par exemple au moins le poids suspendu du riser, les conditions d'environnement météo océanographiques, et les mouvements correspondants du support flottant, les flotteurs 7 ou bouée de tensionnement équipant le riser sont, par exemple, dimensionnés de façon à communiquer au riser une tension comprise entre 1,2 et 1,8 fois son poids suspendu, *le limiteur de courbure 8 situé sous le flotteur 7 est, par exemple, dimensionné de façon à ce que les efforts de flexion dus à la transition de forme et de raideur entre le riser et le flotteur soient acceptables, *le raidisseur 11 qui est situé entre le sommet du flotteur 7 et la tête de puits 9, est dimensionné de façon à remplir deux types de chargement: le poids de la tête de puits sous lequel la raideur doit être calculée de façon à ne pas permettre les phénomènes dits de flambage; et les efforts induits par les courants et la houle qui vont lui être communiqués au niveau du passage des rouleaux par l'intermédiaire d'une flexion, ce qui va réclamer une adaptation par un élément tubulaire dont le diamètre et l'épaisseur devront permettre de rester dans les limites admises par les caractéristiques du matériau employé. Le raidisseur présente des caractéristiques notamment géométriques et dimensionnelles qui sont telles que ce raidisseur puisse supporter au moins les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin d'une part, et le passage en un point obligé avec coulissement sensiblement vertical lié au support flottant d'autre part, et les contraintes dues au poids de l'ensemble, Dans l'exemple spécifique de réalisation de raidisseur donné à la figure 3, la partie supérieure du riser disposé au-dessus du flotteur est de préférence maintenu par rapport à l'enveloppe externe ou casing, tensionné et/ou guidé à l'intérieur de ce casing. La figure 2 montre une variante de réalisation o le dispositif de liaison entre la partie supérieure du riser et le support flottant, comporte, par exemple deux rotules 12, 13 disposées l'une au-dessus de l'autre. La distance séparant ces deux rotules est, par exemple de l'ordre de quelques mètres. Par rapport au dispositif de liaison comportant une seule rotule, le système à double rotule permet de limiter avantageusement les déplacements sensiblement horizontaux selon les axes x, y (figure 1). En limitant le déplacement du riser par rapport à l'axe de la rotule, on limite aussi le déplacement de la tête de puits disposée à l'extrémité supérieure du riser. On améliore ainsi la compatibilité de la tête de puits avec le riser. Le système de production selon l'invention peut aussi comporter plusieurs colonnes montantes de production ou risers équipés de flotteurs et comportant au moins un raidisseur. Les risers de production sont, par exemple, disposés par rapport à la structure flottante en utilisant un dispositif directement relié à la structure flottante et pourvu d'orifices de passage des risers. Chacun de ces orifices comporte par exemple un système à une rotule ou à double rotule décrits précédemment aux figures 1 et 2. La figure 3 schématise une variante de réalisation pour laquelle la partie supérieure du riser ou raidisseur comporte une enveloppe ou casing 14 disposée, par exemple autour de la partie supérieure du riser, située par exemple au-dessus du flotteur. Le casing 14 jouant le rôle de raidisseur possède par exemple des caractéristiques énoncées ci-dessus, pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin d'une part, et le passage en un point obligé avec coulissement sensiblement vertical lié au support flottant d'autre part, et les contraintes dues au poids de l'ensemble. Dans certains cas, il peut être intéressant de disposer entre la partie supérieure du riser disposée à l'intérieur du casing 14 et le casing à l'aide d'un moyen de tensionnement, ayant notamment pour fonction de reprendre les déformations du riser interne, par exemple son allongement sous l'effet des variations de température et/ou de pression. On peut éventuellement aussi considérer comme raidisseur l'ensemble formé, par exemple, par le casing 14 et la partie supérieure du riser située à l'intérieur. REVENDICATIONS 1 - Système pour la production d'effluents pétroliers à partir d'un site de production, tel qu'un ou plusieurs puits de production, jusqu'à un support flottant, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison les éléments suivants: o un riser (6) de production équipé sur au moins une partie de sa longueur d'un moyen (7), telle qu'une bouée de tensionnement, permettant de mettre en tension ledit riser, o un dispositif (10) de maintien et de guidage du riser (6) par rapport audit support flottant, o un raidisseur (11) d'une partie dudit riser située au-dessus de ladite bouée, ledit raidisseur étant adapté sur au moins une partie de sa longueur pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage (10), et les contraintes dues au poids des charges supportées par ledit raidisseur. 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit raidisseur (11) comporte au moins une enveloppe ou casing (14) entourant ledit riser (6). 3 - Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de maintien et de guidage d'un riser comporte, au moins, un système de roulement à rouleaux permettant le coulissement vertical du riser et guidant ses déplacements horizontaux dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulissement longitudinal. 4 - Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins un des dispositifs de maintien et de guidage du riser comporte au moins un système à double roulements tel deux rotules. - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit riser comporte deux extrémités, I'un des ses extrémités communiquant avec un puits de production et l'autre avec une tête de puits, ladite tête de puits (9) étant disposée au- dessus de la bouée de tensionnement. 6- Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs risers, lesdits risers étant reliés à la structure flottante par l'intermédiaire d'un moyen tel qu'une grille équipée de moyens de guidage desdits risers. 7 - Système selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que un riser est équipé d'un moyen auxiliaire de mise en tension liant le riser à l'enveloppe ou casing. 8 - Riser ou colonne montante de production, caractérisé en ce qu'il comporte sur au moins une partie de sa longueur au moins un raidisseur (11) ayant des caractéristiques adaptées pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage (10), et les contraintes dues au poids des charges supportées par ledit raidisseur. 9 - Riser ou colonne montante selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit raidisseur comporte au moins une enveloppe (14) entourant ledit riser. - Utilisation du système selon l'une des revendications 1 à 7 ou du riser de production selon l'une des revendications 8 et 9 à la production d'effluents pétroliers.