Brevet FR2784417A1 — publié le 20000414

La présente invention concerne un dispositif et une méthode pour régler la flottabilité de colonnes montantes, dites, riser ", utilisées pour relier une tête de puits sous-marine à un support flottant de forage. Les colonnes montantes utilisées par la profession sont constituées d'éléments tubulaires de longueur comprise entre 15 et 25 m (50 et 80 feet) assemblés par des connecteurs. Le poids de ces colonnes peut être très important ce qui impose des moyens de suspension de très forte capacité en surface. De plus, les contraintes résultant des efforts extérieurs sur un tel élément pesant sont importantes. Il se révèle indispensable de diminuer le poids apparent de ces colonnes par des moyens d'allégement. Les dispositifs connus consistent en des éléments du type bouée en matériau léger et résistant à la pression hydrostatique, des bouteilles étanches remplies de gaz, ou des caissons de flottabilité comportant des dispositifs pour les remplir d'air en fonction d'un réglage prédéterminé en surface. Le précédent dispositif peut être illustré par le document FR-2314347 qui décrit des caissons annulaires concentriques à un élément de tube " riser " comportant des ouvertures inférieures pour l'entrée d'eau et un dispositif à flotteur pour régler le niveau d'eau, donc le niveau de flottabilité, à l'intérieur dudit caisson. Ce dispositif ne permet pas le réglage de la flottabilité lorsque la colonne de riser est assemblée à travers la tranche d'eau. Or, maintenant les profondeurs d'eau peuvent atteindre 3000 m d'eau, ce qui impose des moyens de flottabilité optimisés et télécommandés. Ainsi, la présente invention concerne une colonne montante pour forage avec tête de puits sous-marine comprenant des éléments tubulaires assemblés par des dispositifs de connexion, les éléments comprenant un dispositif de flottabilité constitué par un caisson dans lequel un volume déterminé de gaz peut y être pompé de façon à modifier le poids apparent dudit élément dans l'eau. Au moins un élément tubulaire comporte des moyens de mesure de la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur dudit caisson, des moyens de remplissage du caisson par du gaz, des moyens de purge du gaz hors duo caisson, des moyens de commande des moyens de remplissage et des moyens de purge compte tenu de ladite mesure de pression différentielle. L'élément tubulaire de la colonne montante peut comporter des moyens de réception d'un ordre de commande pour remplir ou purger ledit caisson. L'élément peut aussi comporter des moyens de transmission à la surface de la mesure de la pression différentielle. L'alimentation en gaz peut être constituée par des tubes parallèles aux dits éléments tubulaires et assemblés les uns aux autres par lesdits dispositifs de connexion. L'énergie nécessaire à la commande peut être fournie par une ligne hydraulique similaire à celle de l'alimentation en gaz. Dans la colonne, au moins un conducteur électrique peut relier les connecteurs supérieur et inférieur d'un élément tubulaire et les connecteurs peuvent relier entre eux les conducteurs des différents éléments tubulaires. L'invention concerne également une méthode pour régler la flottabilité d'une colonne montante pour le forage avec tête de puits sous-marine comprenant des éléments tubulaires assemblés par des dispositifs de connexion, lesdits éléments comprenant chacun un dispositif flottant constitué par un caisson dans lequel un volume déterminé de gaz peut être pompé de façon à modifier le poids apparent dudit élément dans l'eau. 3 2784417 Selon la méthode, on calcule la flottabilité dudit élément en mesurant la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur du caisson, on commande des moyens de remplissage ou de purge de gaz dans ledit caisson en fonction de5 la flottabilité désirée. On peut envoyer un ordre de commande depuis la surface à au moins un élément tubulaire comportant des moyens de réception dudit ordre en relation avec les moyens de commande des moyens de remplissage ou de purge de gaz. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture des exemples ci-après, nullement limitatifs, illustrés par les figures parmi lesquelles * La figure 1 représente schématiquement plusieurs éléments de riser assemblés entre eux, M La figure 2 représente, également schématiquement et plus en détail les moyens de contrôle de la flottabilité pour un élément de riser. À La figure 3 représente schématiquement un exemple de réalisation des moyens de réglage. * Les figures 4a, 4b et 4c illustrent différents cas de réglage de la flottabilité, en fonction de conditions opérationnelles. * La figure 5 illustre l'ajustement de la flottabilité du riser. * La figure 6 décrit les tensions dans une configuration donnée. Sur la figure 1, la référence 1 désigne un élément tubulaire unitaire de la colonne montante ou " riser ". Ces éléments 1 sont assemblés les uns aux autres par le moyen de connecteurs mécaniques 2 pouvant, par exemple, être ceux décrits dans le document EP-0147321 cité ici en référence. Des lignes de service sont disposées parallèlement à l'axe 3 de la colonne de façon à être dites 2. Il y a au moins deux lignes 4 disposées à la périphérie du tube principal 5. 4 2784417 Ces lignes sont dénommées " kill line et choke line ", et sont utilisées pour assurer la sécurité du puits pendant le déroulement des procédures de contrôle des venues dans le puits.5 Des caissons 6 sont montés autour des tubes principaux 5 de façon concentrique. Ils sont constitués d'une paroi cylindrique 7 et d'un couvercle d'obturation 8 dans la partie supérieure. Dans la partie inférieure de l'enveloppe caisson 6, des ouvertures sont ménagées de façon que l'eau de mer puisse pénétrer dans le caisson ou en être chassée.tO Une ligne tubulaire étanche 10 est constituée parallèlement au tube principal, de façon similaire aux lignes " kill and choke ". La constitution de cette ligne continue est adaptée à alimenter tous les caissons en gaz comprimé, air ou gaz neutre. Dans une variante, une autre ligne 11 électrique ou hydraulique ou électro-hydraulique est ajoutée à la colonne montante pour le contrôle de la flottabilité de la colonne. Cette ligne 11 est également constituée lors de l'assemblage d'un joint 1 sur l'autre. Dans le cas d'une ligne électrique, on utilise des connecteurs enfichables étanches de technologie connus dans la profession. La figure 2 montre schématiquement les moyens de contrôle de flottabilité. Ceux-ci se composent d'au moins quatre constituants: * un ensemble 12 de capteurs de mesure comportant au moins une mesure de la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur du caisson 6, de préférence dans la partie supérieure du caisson, par exemple au niveau du couvercle 8 ou dans son voisinage; * un ensemble de commande, de transmission et de réception 13 relié à la surface, soit par transmission sans fil, de type radio, électromagnétique, sonique, soit par la ligne 11 électrique, soit par la ligne hydraulique; a un dispositif de vanne pneumatique de séparation 14 entre la ligne de gaz comprimé 10 et l'intérieur du caisson 6 2784417 * un dispositif de vanne de purge 15 adapté à mettre en communication l'intérieur du caisson avec l'extérieur. Ces quatre constituants sont en liaison de façon à opérer les deux vannes en fonction d'une commande envoyée de la surface à l'ensemble 13. La vanne 15 est ouverte lorsque la flottabilité doit être diminuée en vidant les caissons de gaz. La vanne 14 est ouverte lorsque l'on désire une flottabilité augmentée par le remplacement de l'eau par du gaz. La mesure de la pression différentielle par le capteur 12 est directement 1o proportionnelle à la hauteur de gaz dans le caisson, donc proportionnelle à la flottabilité. Cette mesure est simple et facile à mettre en oeuvre même dans les conditions marines. L'ensemble 13 reçoit cette mesure par l'intermédiaire d'un conducteur et compare la flottabilité effective avec la consigne envoyée de la surface par le canal d'un conducteur électrique ou autre communication. En fonction de la différence entre la mesure et la consigne, l'ensemble 13 envoie un ordre de commande à l'une des vannes 14 ou 15, jusqu'à ce que la mesure de pression différentielle soit conforme avec la flottabilité désirée. La figure 3 représente schématiquement une réalisation selon l'invention pour le réglage de la flottabilité d'un joint de riser 1. Les vannes 15 et 14 contrôlent respectivement la communication avec l'extérieur (eau de mer) et la conduite d'alimentation en gaz sous pression (conduite 10). Ces vannes peuvent être du type vanne à boisseau sphérique à commande quart de tour par le moyen d'un levier 16. Chacun des leviers 16 est manoeuvré par un opérateur 17, par exemple pneumatique. Un opérateur peut être un système à vérin simple effet, avec rappel d'une position par un ressort de rappel. Ainsi, sans pression sur le piston de l'opérateur, la vanne prend une position dite de sécurité: soit fermée, soit ouverte. Les vérins 17 sont reliés chacun par une conduite pneumatique 18 à un distributeur 19 ou équivalent. La pression d'air distribuée par le dispositif 19 provient de préférence de la conduite sous pression 10 par l'intermédiaire du conduit 20. Le dispositif de distribution 19 est commandé par des ordres reçus aux moyens de contrôle 21 et prend en compte la mesure de pression différentielle inter/exter au caisson. 6 2784417 Les figures 4a, 4b et 4c représentent trois cas de figure en opération offshore o s'applique avantageusement la présente invention. La figure 4a illustre le cas o le riser est assemblé et connecté à la tête de puits 31 et suspendu par l'autre extrémité du riser par des treuils de tension 32 équipant le support flottant. Dans ce cas, compte tenu des capacités des treuils, du poids propre du riser, de la profondeur d'eau (ou de la longueur du riser), des courants, un allégement maximum du riser est généralement souhaité. Il est cependant important de pouvoir faire varier l'allégement le 1o long du riser, en fonction de la profondeur de chaque élément pour contrôler les tensions. Ceci ne peut s'ajuster qu'avec les joints de riser selon l'invention. La figure 4b illustre le cas o la colonne de riser est déconnectée de la tête de puits, par exemple pour débuter la remontée de la colonne, ou à cause d'un cas d'urgence exigeant le déplacement du support flottant de l'aplomb de i5 la tête de puits. Dans ce cas, pour les raisons principales de tenue mécanique de la colonne pendue, il est souhaité d'alourdir au moins l'extrémité inférieure du riser. Avant la déconnexion il est avantageux de pouvoir vider l'air le plus rapidement possible et de remplir d'eau, au moins les caissons des joints inférieurs. La figure 4c illustre le cas o une partie 32 du riser reste connectée à la tête de puits sous-marine 31, l'autre partie 33 restant pendue sous le support flottant, ou est remontée. Un élément 34 spécifique à ce mode de déconnexion comprend les moyens de connexion et déconnexion et généralement une bouée dite de subsurface pour appliquer une tension sur la partie 32. Il est clair que dans ce cas, le réglage de la flottabilité permet de passer d'un état connecté à un état déconnecté en toute sécurité pour le riser. Bien entendu, l'application de la présente invention ne se limite pas à ces seuls cas. Pour mieux comprendre les avantages de la présente invention, on a déterminé une architecture de riser comportant des éléments équipés de caissons de flottabilité. 7 2784417 Un premier dimensionnement des flotteurs à air a été effectué sur les bases suivantes: - longueur et épaisseur des enveloppes en acier: respectivement 20 m et 5 mm, - masse d'appendices et de renforts: 1000 kg, - adjonction de deux lignes périphériques supplémentaires (pour le contrôle et l'injection de l'air). Le riser respecte les spécifications de base édictées ci-après to profondeur d'eau: 10000 ft (3048 m) - diamètre du riser (tube principal TP): 21"OD (533,4 mm) - acier constitutif du tube principal: X80 de limite élastique 80000 psi (560 MPa) - longueur effective des joints de riser: 75 ft (22,86 m). t5 - lignes périphériques: * (2) kill & choke lines 4 1/2" ID x 15000 psi (114,3 mm x 1034 bar). * (1) booster line 4" ID mini x 7500 psi (101,6 mm x 517 bar). * (2) hydraulic lines 2" ID mini x 5000 psi (50,8 mm x 345 bar). - densité maximale de la boue de forage: 17 ppg spécifiée (2,04 kg/1), ramenée par la suite à 15 ppg (1,80 kg/1). - capacité de tensionnement du riser portée à 2,56 Mip (1162 t) par l'intermédiaire de 8 doubles tensionneurs de 160 kip de tension nominale (utilisable à 80% environ, soit 930 t de tension maximale en tête du riser). Une étude des fonctionnalités et du dimensionnement de ces flotteurs à air permettrait d'affiner ces caractéristiques. Par ailleurs, l'emploi d'autres matériaux que l'acier pourrait être envisagé pour les enveloppes afin d'alléger leur structure. s 2784417 La configuration en exemple de la présente invention est définie dans le tableau ci-après Référence Epaisseur Diamètre Densité Miasse Poids Nombre Longueur élément du TP flotteurs flotteurs unitaire apparent d'élément totale (mm) (inch) _(t) (t) (ft) Télescop. 25,4 --- --- (25) (25 1) 100 CF14NF 22,2 --- joints nus 14,2 12,3 5 375 CF13B20 20,6 53" 0,39 22,1 -1,4 21 1575 CF12B40 19,1 53" 0,45 22,9 -0,5 27 2025 CF11B60 17,5 53" 0,51 23,8 0,5 26 1950 CF12B80 19,1 53" 0,60 26,1 2,8 27 2025 CF13AC piisdeu 18,18 CF13AC ot20,6 50" pleins d'eau 18,1 15,8 26 1950 ____(flotteurs) _pleins d'air -3,8 2945 519 132 10000 Conversions en unité SI: (1 inch = 25,4 mm - 1 foot = 304,8 mm- 1 kg/i = 8,35 ppg)) Le poids apparent de la boue variant quant à lui de 0 t (eau de mer) à 513 t (à 15 ppg), le poids de l'ensemble riser+boue et la tension en tête du riser peuvent donc rester constants pour peu qu'on ajuste le niveau de l'eau dans les enveloppes en fonction de la densité de la boue. La figure 5 illustre ce fonctionnement. On y a représenté, en fonction de la densité de la boue D en abscisse, le poids apparent de la boue (courbe 40), le poids apparent du riser (courbe 41) obtenu en ajustant le niveau de l'eau dans les enveloppes à la valeur (en mètres) indiquée dans les cadres, et la somme des deux (courbe 42) à laquelle il suffit d'ajouter une centaine de tonnes pour obtenir la tension (courbe 43) à appliquer en tête du riser, qui est dans ce cas de l'ordre de 620 t. 9 2784417 Ce principe de flotteurs qui permet de fonctionner avec une tension constante en tête du riser, quelque soit la densité de la boue utilisée permettrait, moyennant l'ajustement du diamètre des enveloppes, d'opérer5 avec des boues plus lourdes que 15 ppg, pouvant aller jusqu'à 17 ppg (avec une tension en tête de 750 t environ), ou plus si nécessaire. Il faut noter que le maintien d'une tension constante sur le riser pendant la durée du forage présenterait aussi l'avantage d'assurer en toutes circonstances une stabilité optimale du riser vis-à-vis des charges latérales10 (houle et courant) et pourrait conduire à une simplification du système de tensionnement devant équiper le support flottant. Le fonctionnement du présent riser peut être illustré notamment par les courbes d'efforts de tension représentées sur la figure 6. Les observations suivantes peuvent être faites au vu de ces résultats - Le principe de fonctionnement du riser avec flotteurs à air est clairement visible lorsqu'on compare sur la figure 6 la courbe 44 (riser connecté et plein de boue d=1,8 kg/l) et la courbe 45 (riser connecté et plein d'eau de mer d=1,03 kg/1). Dans les deux cas, la tension en tête (référence 46) est la même, ainsi que la tension résiduelle en pied (référence 47), alors que le poids de la boue est très différent. La différence vient du poids apparent de la dernière section (équipée des flotteurs à air) qui redresse ou incline la partie inférieure de la courbe. -Il s'ensuit un angle en pied de riser maintenu (approximativement) à 2 dans les deux cas. En situation plein de boue, le poids apparent nul de la partie basse du riser y élimine l'effet de chaînette et l'angle demeure constant. Plein d'eau avec flotteurs ballastés, cet effet de chaînette joue à plein et l'angle dépasse 2 , mais pourrait facilement être réduit en injectant un peu d'air dans les flotteurs. t10 2784417 REVENDICATIONS 1) Colonne montante pour forage avec tête de puits sous-marine comprenant des éléments tubulaires (1)'assemblés par des dispositifs de connexion (2), lesdits éléments comprenant un dispositif de flottabilité constitué par un caisson (6) dans lequel un volume déterminé de gaz peut y être pompé de façon à modifier le poids apparent dudit élément dans l'eau, caractérisé en ce que au moins un élément tubulaire comporte des moyens de mesure (12) de la pression différentielle entre l'intérieur et l'extérieur dudit caisson, des moyens de remplissage (14) du caisson par du gaz, des moyens de purge (15) du gaz hors du caisson, des moyens de commande (13) des moyens de remplissage et des moyens de purge compte tenu de ladite mesure de pression différentielle. 2) Colonne montante selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément tubulaire comporte des moyens de réception (21) d'un ordre de commande pour remplir ou purger ledit caisson. 3) Colonne montante selon la revendication 2, dans laquelle ledit élément comporte des moyens de transmission (13) à la surface de la mesure de la pression différentielle. 4) Colonne montante selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'alimentation en gaz est constituée par des tubes parallèles (10) aux dits éléments tubulaires et assemblés les uns aux autres par lesdits dispositifs de connexion (2). ) Colonne montante selon la revendication 4, dans laquelle l'énergie nécessaire à la commande est fournie par une ligne hydraulique similaire à celle de l'alimentation en gaz. l lt 2784417 6) Colonne montante selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle au moins un conducteur électrique (11) relie les connecteurs supérieur et inférieur d'un élément tubulaire et en ce que lesdits O5 connecteurs relient entre eux les conducteurs des différents éléments tubulaires. 7) Méthode pour régler la flottabilité d'une colonne montante pour le forage avec tête de puits sous-marine comprenant des éléments tubulaires assemblés par des dispositifs de connexion, lesdits éléments comprenant chacun un dispositif flottant constitué par un caisson dans lequel un volume déterminé de gaz peut être pompé de façon à modifier le poids apparent dudit élément dans l'eau, caractérisé par les étapes suivantes: * on calcule la flottabilité dudit éléments en mesurant la pression t5 différentielle entre l'intérieur et l'extérieur du caisson, * on commande des moyens de remplissage ou de purge de gaz dans ledit caisson en fonction de la flottabilité désirée. 8) Méthode selon la revendication 7, dans laquelle on envoie un ordre de commande depuis la surface à au moins un élément tubulaire comportant des moyens de réception dudit ordre en relation avec les moyens de commande des moyens de remplissage ou de purge de gaz.