Brevet FR2780442A1 — publié le 19991231

L'invention concerne un système pour la production d'effluents polyphasiques pétroliers qui se trouvent disposés en mer à de grandes profondeurs d'eau. Le système de production selon l'invention peut aussi être utilisé lorsque la pression du gisement est faible, par exemple dans la phase finale de production d'un puits. L'invention trouve aussi son application pour la récupération des effluents pétroliers, d'huile ou de gaz offshore. De nombreux systèmes pour la production pétrolière sont décrits dans l'art antérieur. Par exemple, le brevet FR-2.665.725 décrit un système de production polyphasique adapté pour des gisements qui présentent de faibles capacités de production, et qui se trouvent situés à des profondeurs d'eau moyennes ou peu importantes. Le concept de ce système repose sur I'utilisation d'une structure flottante, facilement mobile et pourvue des équipements nécessaires pour remonter les effluents d'un puits jusqu'à la structure flottante, avant de les envoyer vers un lieu de traitement ou de stockage. Le transfert de ces effluents est réalisé sans séparation de ses constituants. Les liens d'ancrage de cette bouée sont suffisamment souples pour permettre de la déplacer facilement d'un gisement vers un autre. Dans la demande de brevet PCT NO97/00068, une bouée flottante submersible est ancrée au-dessus d'un gisement comportant plusieurs puits de production. L'ancrage de cette bouée est réalisée à l'aide des risers de production qui s'étendent entre la bouée flottante et la zone exploitée du gisement. La production est remontée à travers les risers de production jusqu'à cette structure flottante submersible, puis envoyée vers une unité de traitement et de production, flottante ou non, telle qu'un pétrolier converti, ou FPSO, o elle est collectée et traitée dans le but d'être acheminée vers un lieu de destination et d'utilisation. Si un tel système permet de diminuer les coûts de construction en évitant la mise en place d'équipements sur le fond de la mer et en utilisant les risers de production comme moyens d'ancrage, il présente toutefois certains inconvénients. En effet, le FPSO est bien adapté lorsque les champs exploités présentent de faibles capacités de production, toutefois il devient moins rentable dans les autres cas. De plus, bien que la bouée soit disposée à une profondeur choisie pour minimiser les effets des courants marins et de la houle, I'influence de ces deux paramètres produisent des mouvements relatifs du FPSO par rapport à la structure flottante pouvant induire des contraintes dans la conduite de transfert des effluents jusqu'au FPSO. Dans certaines conditions, de telles contraintes peuvent aller jusqu'à la rupture de ces conduites. D'autre part, dans le cas o les gisements ont une pression peu élevée, la remontée vers la surface des effluents peut être difficile pour les grandes profondeurs d'eau, voire impossible si la pression du gisement est insuffisante, et le système prémentionné est mal adapté. L'objet de la présente invention est d'offrir un système de production et sa méthode de mise en ceuvre associée, capable de produire des effluents polyphasique qui présentent une pression faible soit directement en sortie du gisement, soit parce qu'ils sont produits à partir de gisements disposés à de grandes profondeurs d'eau. La présente invention concerne un système utilisé pour la production d'effluents pétroliers disposés à des profondeurs d'eau importantes. Il est caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants: a) une station intermédiaire flottante disposée en dessous de la surface d'eau à une profondeur choisie au moins en fonction de la pression de l'effluent en sortie de tête de puits, b) ladite station flottante comportant une ou plusieurs têtes de puits, chacune des têtes de puits étant reliée à un riser de production, lui- même communiquant avec le puits à produire, c) des moyens d'ancrage de ladite station flottante, lesdits moyens d'ancrage étant constitués par les risers de production, d) des moyens de pompage disposés sur ladite station flottante, lesdits moyens étant adaptés à communiquer une valeur d'énergie suffisante à au moins une partie de l'effluent pour assurer son transfert de ladite station flottante vers un endroit de traitement ou de destination, e) des moyens de transfert de l'effluent, lesdits moyens de transfert s'étendant de ladite station flottante vers le fond marin, et jusqu'à une plate-forme finale ou une unité de traitement, f) des moyens permettant de former au moins l'énergie nécessaire aux différents équipements installés sur la station flottante. Selon un mode de réalisation, les moyens de pompage sont une ou plusieurs pompes polyphasiques et les moyens de transfert de l'effluent sont, par exemple, un ou plusieurs conduits permettant le transport d'un effluent polyphasique. La station flottante intermédiaire peut comporter des moyens de séparation d'au moins une fraction de la phase gazeuse de l'effluent et des moyens de transfert de cette fraction gazeuse vers au moins un des puits. Les moyens producteurs d'énergie comportent par exemple une structure flottante, reliée à la station flottante par l'intermédiaire d'un ombilical multifonctions. La station flottante peut comporter des moyens de séparation d'au moins une fraction de la phase gazeuse de l'effluent et des moyens de transfert de cette fraction gazeuse vers un dispositif permettant de générer de l'énergie électrique. La station flottante est par exemple disposée à une profondeur d'au moins 100 m sous la surface, mais de préférence entre 150 et 300 m sous la surface. Le système selon l'invention peut comporter plusieurs stations flottantes (21i, 21j), chacune des stations étant reliées à au moins une partie d'un gisement (20) étendu, ou à plusieurs gisements situés dans une zone donnée et alimentant un centre de production commun. Le système peut aussi comporter une ou plusieurs pompes auxiliaires disposées dans un ou plusieurs puits ou au niveau du sol marin. Le système de production selon l'invention présente notamment les avantages suivants: en évitant de remonter les effluents jusqu'à la surface, il est possible d'étendre le champ des gisements exploitables, (possibilité de produire des gisements ayant de faible pression), = la possibilité de forer ou d'intervenir pour des réparations recomplétion des puits à partir de la bouée située en subsurface, ne nécessitant pas une unité de forage équipée d'un matériel adapté à la grande profondeur, les coûts opératoires sont diminués et les opérations de maintenance facilitées pour les différents équipements, on peut réutiliser l'ensemble bouée intermédiaire-flotteur de service. D'autres avantages et caractéristiques du dispositif selon l'invention seront mieux compris à la lecture de la description ci-après d'un exemple non limitatif en se référant aux figures annexées o: À la figure 1 est une vue montrant une application de l'invention pour l'équipement et l'exploitation d'un champ de production comprenant plusieurs gisements situés à une profondeur d'eau importante, À la figure 2 montre en détail la station flottante immergée munie de ses équipements, et a la figure 3 représente une application du système selon l'invention pour l'exploitation de gisements à partir de puits déviés communiquant avec un même gisement. Sur la figure 1, on a représenté un exemple possible pour la mise en oeuvre d'un système de production selon l'invention lorsque plusieurs gisements sont situés à une profondeur d'eau relativement importante, par exemple comprise entre 800 et 3000 m et de préférence au-delà de 1000 mètres. Le système de production comporte au moins une station flottante 1 submersible disposée à une certaine profondeur d'eau comptée à partir du fond marin 2. La station est ancrée à proximité d'un champ pétrolier comportant plusieurs puits 3, par exemple au-dessus. Au niveau du champ est disposée une embase de production 4 traversée par des risers de production 5i, ainsi qu'un riser d'export 6 permettant l'envoi de l'effluent vers un lieu de destination ou de traitement, le riser d'export étant aussi relié à la station flottante intermédiaire 1. La station intermédiaire 1 est, par exemple, à flottaison positive de façon à assurer la mise en tension des risers de production. Les risers de production peuvent être équipés de moyens de flottabilité répartis sur toute la longueur ou sur une partie seulement de leur longueur. De cette façon, les prolongateurs de puits restent tendus sur toute leur longueur lorsqu'ils sont sollicités lors du chargement et quelque soit la sollicitation à laquelle ils sont soumis. Les éléments de flottabilité peuvent être constitués de flotteurs à air, de flotteurs en mousse syntactique ou encore de tout autre matériau à flottabilité positive. La flottabilité sera fixe ou éventuellement ajustée en fonction des différents éléments installés sur la station intermédiaire. Selon un mode de réalisation préférentielle, les flotteurs sont répartis sur les différents risers de production et sur la station de subsurface. Le dimensionnement des flotteurs est réalisé pour que la flottabilité fixée sur chaque riser de production soit au moins égale au poids du riser de production, des équipements (par exemple en tenant compte des têtes de puits, des vannes du manifold, éventuellement des tubings) et des fluides circulant dans les risers. Les forces résultants de l'action hydrodynamique des éléments marins et des diverses sollicitations agissant sur le système peuvent aussi être prises en compte pour le dimensionnement. Les têtes de puits 7 (figure 2) correspondant chacune à un puits de production et donc à un riser de production 5i, sont disposées sur la station intermédiaire 1. Cette dernière peut comporter un manifold 8 connu de l'Homme du métier, ayant pour fonction notamment de regrouper la production et d'intervenir au niveau des puits. La station flottante 1 comporte aussi des équipements adaptés plus précisément pour le pompage d'effluents polyphasique, tels que un système 9 de pompage polyphasique et des moyens 10 de comptage ou de débitmétrie. Dans certains cas d'application, développés ci-après, elle pourra comprendre d'autres éléments. L'énergie nécessaire au fonctionnement des différents équipements est apportée par un ombilical multifonctions 11 reliant la station à un flotteur de service 12 disposé à proximité de la station flottante. Le flotteur de service 12 peut être identique à celui décrit dans le brevet FR 2.710.946 du demandeur. Il comprend par exemple les équipements auxiliaires nécessaires à l'alimentation en énergie, par exemple un transformateur en cas de besoin. Il peut comporter tous les moyens de stockage et d'injection de produits chimiques de prévention de formation des hydrates et d'autres dépôts ainsi que de prévention de la corrosion. L'injection peut être réalisée par l'intermédiaire de l'ombilical 11. Il comporte par exemple les équipements nécessaires à l'envoi de racleurs à travers le pipe d'export 6 par l'intermédiaire d'un riser flexible. Le flotteur de service est équipé des moyens permettant de mettre en oeuvre au moins les fonctions suivantes: la génération d'énergie, I'injection de produits chimiques, I'injection éventuelle d'eau dans les puits, le contrôle de l'envoi des racleurs et de leur retour vers le flotteur de service, le contrôle et la télémétrie. Les différents éléments étant connus de l'Homme du métier, ils ne seront pas détaillés. Une manière possible pour exploiter un gisement multiple comportant plusieurs puits disposés à une profondeur d'eau importante en mettant en oeuvre le système précédemment décrit peut comprendre par exemple les étapes suivantes: a) on positionne, au-dessus du champ de gisements la station flottante ou bouée intermédiaire en utilisant les risers de production pour réaliser son ancrage, b) on remonte les effluents pétroliers d'un ou plusieurs puits jusqu'à la ou les têtes de puits situées sur la structure flottante, la production pouvant être simultanée à partir de toutes les têtes de puits ou encore séquentielle, l'ensemble des effluents est dans tous les cas regroupé au niveau du manifold, c) on transfère les effluents à partir des têtes de puits, en utilisant les moyens de pompage polyphasique disposés sur la bouée intermédiaire, et à travers le riser d'export s'étendant entre cette bouée, et le sol marin; le transfert est réalisé sans remonter les effluents à la surface. Les étapes b) et c) peuvent être opérées simultanément. Lorsque l'on positionne à l'étape a) la bouée, la valeur de la profondeur d'immersion de la station flottante est un compromis tenant compte notamment de ò I'exposition aux mouvements résultant de la houle, lorsque la station est trop proche de la surface, ò la pression hydrostatique qui nécessite de disposer d'équipements adaptés à tenir à des pressions importantes lorsqu'ils se trouvent disposés vers le fond marin, a la pression déterminée au niveau de la tête de puits 7 qui doit être supérieure à la valeur de pression d'aspiration admise par la pompe. La station flottante est disposée par exemple à une profondeur d'au moins 100 m sous la surface, mais de préférence entre 150 et 300 m sous la surface. On diminue ainsi la valeur de pression supplémentaire à apporter aux effluents pour les remonter jusqu'à la surface, contrairement aux systèmes de l'art antérieur. La station flottante peut, sans sortir du cadre de l'invention, être une bouée simple submersible et à flottabilité positive. Pendant toutes les étapes de production, l'énergie nécessaire au fonctionnement est transférée à travers un ombilical 11 multifonctions, d'une plate-forme principale située à distance de la station flottante ou encore d'une installation terrestre. Cette énergie peut être électrique, ou encore hydraulique lorsque la distance entre le flotteur de service et la bouée intermédiaire n'est pas trop importante. Un moyen pour produire l'énergie nécessaire au fonctionnement du système consiste à utiliser une partie de la phase gazeuse de l'effluent produit. Pour cela, la station flottante intermédiaire est équipée de moyens 14 permettant de séparer une fraction au moins de la phase gazeuse. La fraction gazeuse est envoyée par sa propre pression vers une turbine à gaz disposée sur le flotteur de service afin de produire de l'énergie. Cette énergie peut se présenter sous une forme électrique ou hydraulique. Le transfert du gaz vers le flotteur peut être réalisé à travers l'ombilical 11 multifonctions ou encore à travers une ligne parallèle à l'ombilical qui est disposée entre la station flottante 1 et le flotteur de service 12 par exemple. Dans le cas o les effluents produits comportent une certaine quantité d'eau, par exemple lorsque la production d'eau est supérieure à 30 %, la station flottante intermédiaire peut comporter des équipements adaptés à réaliser la séparation de l'eau, et à réinjecter cette eau séparée et récupérée dans un ou plusieurs puits. On séparera l'eau en totalité ou partiellement en fonction de la quantité initiale et de son utilisation finale. Les équipements nécessaires pour la réinjection de l'eau sont situés au niveau du flotteur de service, comme il a été mentionné précédemment ou de la station de subsurface. Au niveau de la station flottante intermédiaire, une fraction du gaz peut être séparée afin d'être réinjectée au niveau d'un ou de plusieurs puits, afin d'améliorer la récupération de l'effluent (récupération assistée). Pour cela, la bouée sera pourvue d'un ou plusieurs conduits reliés au moyen de séparation 14 et qui débouchent au niveau des puits, ainsi que des éléments de compression appropriés pour réaliser la réinjection. Au niveau du flotteur de service, le gaz est par exemple séché selon un procédé connu de l'Homme du métier et mis aux conditions requises par la turbine à gaz qui fournit l'énergie électrique. Sans sortir du cadre de l'invention, les risers de production pourront être entourés de tubes conducteurs classiquement utilisés par les spécialistes du domaine lors des opérations de forage des puits. Les pompes polyphasiques disposées sur la bouée intermédiaire reçoivent l'énergie ainsi générée, soit sous forme d'énergie électrique via l'ombilical multifonctions, soit sous forme d'eau sous pression entraînant alors une turbine hydraulique, la turbine étant par exemple disposée au- dessus de la pompe polyphasique. L'ensemble des éléments constituant le système de pompage polyphasique est installé sur le pont supérieur de la station flottante 1. Il est par exemple protégé par un capot rigide ouvert sur le dessus afin de permettre l'accès aux modules de production. Ces modules peuvent être relevés par un support d'intervention connu des spécialistes du domaine. Le système précédemment décrit est appliqué par exemple pour la production de champs qui présentent des capacités importantes de production, mais aussi une faible durée de l'ordre de 2 à 5 ans. Il offre notamment comme avantage d'être un équipement léger. Sans sortir du cadre de l'invention, plusieurs systèmes de production peuvent être disposés à proximité d'un champ étendu comportant plusieurs puits déviés pour lesquels la déviation est insuffisante pour atteindre toutes les parties du gisement à partir d'un centre unique de forage, selon un schéma classique. C'est notamment le cas lorsque la profondeur du gisement est trop faible et son étendue horizontale trop grande pour pouvoir atteindre toutes les parties du gisement en déviant les puits suffisamment ou bien en forant des puis horizontaux. La figure 3 schématise un exemple de réalisation d'une telle disposition o un gisement 20 est exploité en utilisant plusieurs stations flottantes 21i et 21j sur l'exemple qui sont en liaison avec un flotteur de service 12 permettant d'amender l'énergie nécessaire comme il a été indiqué à la figure 1, par l'intermédiaire d'ombilicaux 11 i, 1 lj, par exemple. Le nombre et l'implantation des stations flottantes 21i, 21j sont déterminés pour que I'ensemble des puits 22i, 22j reliés aux stations flottantes 21i, 21j par l'intermédiaire des risers de production 25i, 25j puisse drainer la totalité du réservoir. On utilisera pour le dimensionnement des méthodes habituellement employées par les spécialistes du domaine. Chacune des stations intermédiaires flottantes 21i, 21j est reliée à un centre de production ou une plate-forme de traitement (non représentés sur la figure) à l'aide d'une conduite de transport 26i, 26j, qui descend par exemple sur le fond marin 2. Le centre de production peut être une unité flottante, telle qu'un navire ou encore une plateforme semi-submersible. Le centre de production peut aussi sans sortir du cadre de l'invention être constitué d'un système analogue à celui de l'invention, avec des puits producteurs ou non. Le centre sert par exemple à regrouper les effluents produits et à les envoyer à un centre récepteur situé à une distance plus éloignée. Selon une autre variante d'utilisation du système selon l'invention, la station flottante utilisée pour produire un premier gisement peut aussi servir pour exploiter un gisement satellite situé à distance du premier gisement. Dans ce cas, la distance séparant le gisement satellite de la station flottante initialement disposée peut être de quelques kilomètres jusqu'à une vingtaine de kilomètres. Le système selon l'invention trouve aussi son application pour l'exploitation de puits à faible pression. Selon une variante de réalisation, plus spécialement adaptée lorsque les puits ont une faible valeur de pression ou encore lorsque la valeur de cette pression et la profondeur d'eau est importante, il sera possible de positionner une pompe auxiliaire, par exemple, en pied de riser de production, ou encore au niveau du puits. Cette pompe auxiliaire est choisie de façon à communiquer à l'effluent une pression suffisante pour assurer sa remontée au moins jusqu'à la bouée intermédiaire. L'effluent est ensuite comprimé par le système de pompage polyphasique, ce dernier pouvant comporter une ou plusieurs pompes disposées en parallèle ou en série. Sans sortir du cadre de l'invention, le système peut être utilisé pour des zones profondes soumises à des courants de turbidité formés par éboulement de sédiments instables, pour lesquelles une installation sur le fond marin des équipements actifs d'exploitation ne peut être envisagée. REVENDICATIONS 1- Système utilisé pour la production d'effluents pétroliers disposés à des profondeurs d'eau importantes, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison au moins les éléments suivants: a) une station intermédiaire flottante (1) disposée en dessous de la surface d'eau à une profondeur choisie au moins en fonction de la pression de l'effluent en sortie de tête de puits, b) ladite station flottante (1) comportant une ou plusieurs têtes de puits (7), chacune des têtes de puits étant reliée à un riser de production (5i), lui-même communiquant avec le puits à produire, c) des moyens d'ancrage de ladite station flottante, lesdits moyens d'ancrage étant constitués par les risers de production, d) des moyens de pompage (9) disposés sur ladite station flottante (1), lesdits moyens étant adaptés à communiquer une valeur d'énergie suffisante à au moins une partie de l'effluent pour assurer son transfert de ladite station flottante (1) vers un endroit de traitement ou de destination, e) des moyens (6) de transfert de l'effluent, lesdits moyens de transfert s'étendant de ladite station flottante vers le fond marin (2), et jusqu'à une plate-forme finale ou une unité de traitement, f) des moyens (11, 12) permettant au moins de fournir l'énergie nécessaire aux différents équipements installés sur la station flottante (1). 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de pompage (9) sont une ou plusieurs pompes polyphasiques et en ce que lesdits moyens (6) de transfert de l'effluent sont un ou plusieurs conduits permettant le transport d'un effluent polyphasique. 3 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la station flottante intermédiaire comporte des moyens (14) de séparation d'au moins une fraction de la phase gazeuse de l'effluent et des moyens de transfert de cette fraction gazeuse vers au moins un des puits. 4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens producteurs d'énergie sont une structure flottante (12), reliée à la station flottante (1) par l'intermédiaire d'un ombilical (11). - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la station flottante (1) comporte des moyens de séparation d'au moins une fraction de la phase gazeuse de l'effluent et des moyens de transfert de cette fraction gazeuse vers un dispositif permettant de générer de l'énergie électrique. 6 - Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite station flottante est disposée à une profondeur d'au moins 100 m sous la surface, mais de préférence entre 150 et 300 m sous la surface. 7 - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte plusieurs stations flottantes (21i, 21j), chacune des stations étant reliées à au moins une partie d'un gisement (20) étendu, ou à plusieurs gisements situés dans une zone donnée et alimentant un centre de production commun. 8 - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs pompes auxiliaires disposées dans un ou plusieurs puits ou au niveau du sol marin.