Brevet FR2757896A1 — publié le 19980703

La presente Invention concerne un système pour le forage et la production utilise dans les Installations de recherche et de production, notamment de produits petroliers en mer. et en particulier les installations comportant des supports flottants reliés a des puits sous-marins par des conduites ou risers rigides. Classiquement dans de telles installations, les tubes sont fixés par leur extrémité inférieure à une structure sous-marine posée sur le fond et regroupant en général plusieurs têtes de puits. Les tubes sont maintenus en tension vers le haut par une traction maintenue aussi constante que possible, exercée à partir du support flottant en surface. Des flotteurs sont éventuellement disposés sur leur longueur pour soulager la tension de tout ou partie du poids propre qui peut être très important, notamment pour les risers de forage. Le support flottant en surface est ancré statiquement au fond de la mer par un ensemble de chaînes ou de lignes tendues verticales ou obliques. Dans les deux cas, il conserve cependant une certaine liberté de mouvement dans plusieurs axes et autour de ces axes, qui va de quelques centimètres à plusieurs mètres pour les déplacements verticaux dus à la houle, connus dans ce domaine sous le terme de pilonnement, et jusqu plusieurs dizaines de mètres dans le plan horizontal. Les rotations autour des axes horizontaux, roulis et/ou tangage, et d'un axe vertical ou lacet dépendent des dimensions du support flottant et de son système d'ancrage, mais ne sont jamais nulles. De plus, les tubes peuvent s'allonger ou se raccourcir de façon indépendante, en fonction des efforts de pression qui leur sont appliqués, ainsi que des variations de température liées aux effluents transportés. Sous les effets précités, et sans système de régulation de la tension, les tubes ou risers seraient soumis à des surcontraintes rhédibitoires, conduisant à des ruptures et à un déversement de produits pétroliers par exemple dans l'océan. Pour éliminer ou minimiser ces contraintes, il est connu et usuel d'utiliser des dispositifs conçus pour maintenir à partir du support une traction constante, désignés sous le terme tensionneur. Ces dispositifs ont pour fonction d'intégrer tous les mouvements et d'éviter de transmettre aux tubes des contraintes Inacceptables. Ces tensionneurs comportent généralement des vérins à grande course régulés par des systemes hydrauliques ou hydro-pneumatiques. Ces systèmes sont toutefois très encombrants sur le pont des plates-formes. notamment lorsque leurs mouvements relatifs avec les systemes de nsers sont Importants. Une solution Interessante et differente consiste a realiser le tensionnement sous marin en utilisant des flotteurs de dimension. de capacite adéquates fixés de manier Individuelle aux risers. Le brevet US 4.702.321 décrit une plate-forme SPAR où les têtes de puits sont en surface et les risers de production rigides sont tendus par des flotteurs individuels. Dans cette structure. les risers sont guidés au moins à quatre niveaux pour empecher leur contact avec la structure SPAR. II en résulte que les nsers sont entraînés en rotation par le roulis de la plate-forme et qu'ils sont fortement sollicités en flexion au niveau des guides inférieurs, près de la quille de la plate-forme. Pour minimiser ces contraintes, les risers sont équipés de joints à inertie variable à ce niveau au moins qui ont notamment pour fonction d'absorber les contraintes. Pour remplir correctement leur rôle, ils doivent nécessairement rester près du niveau des guides inférieurs. Ceci est rendu possible pour ce type de plate-forme car le coulissement relatif entre les risers et la plate-forme, dû au pilonnement et au déport latéral de la SPAR, est faible. Une telle architecture est néanmoins mal adaptée pour une barge ou un support flottant pour lequel le déport latéral, le pilonnement et l'enfoncement des têtes de riser sont importants. En effet, dans ces cas, I'amplitude du coulissement entre les risers et la structure est de plusieurs mètres et les joints à inertie variable sont difficiles à concevoir. II s'avère donc préférable pour éviter le problème de flexion et diminuer les contraintes, de permettre le mouvement relatif en rotation entre le support flottant et les risers, par exemple en réduisant les guides à un seul niveau. Le brevet NO-171958 décrit un dispositif particulièrement bien adapté aux tourets avec un seul niveau de guidage. L'absence de deuxième niveau de guidage permet notamment le déplacement des risers en tête et notamment le déplacement en rotation Pour éviter le risque de contact entre deux risers adjacents. il est évidemment nécessaire d'augmenter la distance entre les axes des risers et/ou de réduire le diamètre des flotteurs. Si l'on reduit le diametre des flotteurs. il faut pour conserver la même valeur de flottabilité augmenter leur longueur, ce qui a pour conséquence de les faire dépasser sous le support. augmentant ainsi la prise a l'environnement marin, et donc d'augmenter les contraintes. L'augmentation de la distance entre les axes des risers permet de pallier cet Inconvénient. mais conduit a une emprise dans le support plus Importante. ce qui va à l'encontre des preoccupations actuelles rencontrees dans le domaine de la production en mer. L'évolution recente des recherches petrolieres vers des mers de plus en plus profondes se traduit entre autre chose par une augmentation importante des performances demandées aux tensionneurs. La tendance actuelle est en effet d'évoluer de la gamme 10 à 20 tonnes de tension pour des profondeurs de l'ordre de 100 m à une gamme de 10 à 200 tonnes pour 1000 m de profondeur. Les différentes architectures décntes et divulguées dans l'art antérieur ne conviennent pas pour ces plages de travail. En effet, le coût des installations et leur encombrement croissant en proportion, il devient nécessaire de rechercher une solution plus économique pour assurer cette fonction de tensionnement. La présente invention a donc pour objet de pallier aux inconvénients précités et vise notamment la conception d'une architecture d'installation flottante dans laquelle on minimise les parties du système offertes aux mouvements de la houle, des courants ou tout autre phénomène pouvant induire des contraintes. La présente invention concerne un système pour le forage et la production d'effluents pétroliers à partir de puits situés sur le fond marin, comportant une construction flottante, comportant au moins une ouverture et une structure d'appui, plusieurs conduites d'amenée des effluents à partir d'un puits jusqu'à la construction flottante, les conduites d'amenée des effluents étant chacune munie d'un flotteur sur au moins une partie de leur extrémité supérieure située vers la construction flottante. II est caractérisé en ce que le système comporte, par exemple, au moins un moyen permettant de maintenir les distances entre les différentes conduites et simultanément le coulissement des conduites dans une direction sensiblement parallèle à leur axe longitudinal. Le moyen permettant de maintenir la distance entre les conduites est, par exemple, une grille légère reliée à la construction flottante à l'aide de moyens de suspension. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen qui permet de maintenir la distance entre les conduites est une grille légere reliee directement sur les flotteurs a l'entree de moyens de support adéquat. La présente invention permet notamment de minimiser: les parties du système soumises aux mouvements de la houle et des courants, en maintenant des diamètres de flotteurs les plus larges possibles, ce qui a pour effet de diminuer les dimensions longitudinales des flotteurs, les contraintes induites par le système de guidage nécessaire pour éviter les contacts et chocs éventuels particulièrement néfastes entre les flotteurs individuels. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description donnée ci-après à titre d'exemples de réalisation, dans le cadre d'applications nullement limitatives, au transport d'un effluent pétrolier, dans une conduite, en se référant aux dessins annexés où - la figure 1 représente une barge de production, par exemple un bâtiment de production selon l'invention en cours d'opération de production, et - les figures 2 et 3 montrent deux vues en coupe détaillées de la structure, comportant deux variantes de disposition pour la grille. L'invention a notamment pour objet de remplacer les systèmes de tensionnement des risers par des flotteurs individuels situés en partie supérieure de ceux-ci, restant immergés en permanence de manière à rendre sensiblement constante la tension exercée. Pour cela, la partie du riser située au-dessus de son flotteur coulisse sensiblement verticalement dans le support flottant, et ne subit de la part de ce support pratiquement aucun effort vertical. Au niveau de ce coulissement, apparaissent uniquement des efforts horizontaux et éventuellement des efforts de torsion et/ou de flexion qui peuvent être admis dans la mesure où les contraintes induites dans le riser restent acceptables. Afin de mieux comprendre les spécificités de l'architecture selon l'invention, la description donnée ci-après, à titre nullement limitatif, est appliquée à la production de puits pétroliers à partir de puits de forage situés sur le fond sousmarin. La figure 1 montre une barge de production 1, par exemple un bâtiment à ancrage lâche ayant de préférence une capacité de stockage suffisante pour contenir la production de pétrole issue de puits pétroliers et pouvant aussi supporter le poids résultant des équipements habituellement utilisés dans le domaine de la production pétrolière (traitement des effluents, moyens de pompage, systèmes de forage.. ..) La structure d'appui 3 et de positionnement des différents risers de production est située dans une ouverture 2 disposée de préférence sensiblement au centre du bâtiment 1. Cette structure d'appui 3 peut comprendre les chaines d'ancrage 4 qui maintiennent le bâtiment 1 en place lors des opérations de production. II est bien entendu que les chaînes d'ancrage 4 peuvent être reliées directement au bâtiment de production 1. La production d'effluents pétroliers est remontée de l'embase de fixation 6 disposée sur le fond marin 7 et contenant les têtes de puits, non représentées individuellement, vers le bâtiment 1 à travers des risers ou conduites de production 10 qui sont présentés sur cette figure sous la forme d'un faisceau 5 détaillé sur les figures 2 et 3. La figure 2 montre un exemple d'agencement des conduites individuelles de production 10 formant le faisceau 5 (figure 1) par rapport à la structure d'appui 3 (figure 1). Chacune des lignes ou conduites de production 10 est munie d'un flotteur 11, ayant une longueur "I" au moins égale à la longueur de la partie de la ligne cachée par la hauteur "h" de la structure d'appui 3 comptée à partir du moyen 14 décrit ciaprès. Un flotteur est formé par exemple d'un corps cylindrique lia entourant une ligne de production et se termine par deux extrémités de forme conique référencées il b. La fonction de ces flotteurs 11 est d'assurer la mise en tension des conduites de production 10, un flotteur remplaçant avantageusement les dispositifs de tensionnement habituellement utilisés dans l'art antérieur. Afin de minimiser les effets dus à la houle et au vent sur les conduites de production 10, pratiquement la totalité du flotteur est "cachée" dans la structure d'appui 3. Pour cela, la longueur des flotteurs 11 est réduite au maximum tout en conservant la valeur de flottabilité souhaitée, notamment pour leur mise en tension. La réduction de la hauteur du flotteur nécessite donc l'augmentation de son diamètre pour mettre en tension les conduites. En augmentant la valeur du diamètre des conduites 10, on augmente la probabilité de rencontre des conduites entre elles, et les risques de frottement résultant. II s'avère donc nécessaire de disposer un moyen qui va maintenir la distance ou l'espacement entre les conduites, tout en permettant leur coulissement relatif par rapport au bâtiment de production dans une direction sensiblement axiale par rapport à l'axe de la conduite. Le moyen approprié se présente par exemple sous la forme d'une grille 12, de préférence de faible poids ou grille légère, suspendue au bâtiment de production par l'intermédiaire de câbles 13. La grille 12, est par exemple reliée à la structure d'appui 3 par l'intermédiaire d'un moyen 14 tel qu'un support pourvue de plusieurs orifices 15, dans lesquels sont disposés des guides 16. Le diamètre d'un guide est au moins égal à la largeur maximale de l'extrémité supérieure du flotteur de manière à permettre le mouvement axial. Le système grille 12 / câbles 13 permet notamment d'assurer les points suivants - les flotteurs en tête des conduites sont guidés à au moins deux niveaux, ce qui élimine toute possibilité de contact entre flotteurs, - la mise en oeuvre d'une grille de ce type, non fixée rigidement aux supports, évite le développement de contraintes d'encastrement lors des mouvements relatifs du support et des risers sous l'effet de l'environnement, qui sans cela seraient prépondérantes pour le dimensionnement du système; - les jeux entre les flotteurs peuvent ainsi être réduits, les flotteurs pouvant avoir des sections circulaires ou carrées importantes. Ceci permet de réduire au minimum leur longueur tout en conservant la valeur de flottabilité nécessaire pour la mise en tension des conduites, et ainsi de soustraire les conduites aux mouvements de la houle et aux effets du courant, - les flotteurs sont ainsi installés sur la majorité de leur hauteur dans la structure d'appui 3 ou moonpool à l'abri du courant et de la houle. La figure 3 montre une variante de réalisation dans laquelle la grille n'est plus reliée directement à la structure d'appui 3. La grille légère 17 est solidaire directement des flotteurs. Cette variante de réalisation permet en effet avantageusement de diminuer de façon très importante la course de la grille le long des flotteurs en supprimant les effets prépondérants des mouvements relatifs du support par rapport aux flotteurs de subsurface, à priori nettement plus stables; la course à reprendre n'est plus alors que celle correspondant aux variations relatives de longueur des risers sous les effets conjugués des efforts internes et de la température, nettement plus faibles en terme de variations de longueur et de fréquence dans le temps. REVENDICATIONS 1 - Système pour le forage et la production d'effluents pétroliers à partir de puits situés sur le fond marin, comportant une construction flottante (1), comportant au moins une ouverture (2) et une structure d'appui (3), plusieurs conduites verticales d'amenée des effluents à partir d'un puits jusqu'à la construction flottante (1), les conduites d'amenée des effluents étant chacune munie d'un flotteur sur au moins une partie de leur extrémité supérieure située vers la construction flottante, caractérisé en ce que le système comporte au moins un moyen (12, 13; 17) permettant de maintenir les distances entre les différentes conduites (10) et simultanément le coulissement des conduites (10) dans une direction sensiblement parallèle à leur axe longitudinal. 2 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen permettant de maintenir la distance entre les conduites est une grille légère (12) reliée à la construction flottante à l'aide de moyens de suspension (13). 3 - Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen permettant de maintenir la distance entre les conduites est une grille légère positionnée directement sur les flotteurs à partir de moyens de support adéquats.