Brevet FR2790814A1 — publié le 20000915

Conduite hybride pour grande profondeur La présente invention concerne une conduite hybride pour grande profondeur. Plusieurs configurations pour le transport du fluide de gisement entre une tête de puits et/ou un manifold et un équipement de surface ont été proposées. Les configurations utilisées dépendent en général du site d'exploitation, les paramètres concernant notamment la profondeur d'eau et les mouvements horizontaux et verticaux de l'équipement de surface étant pris en compte pour sélectionner la configuration appropriée et /ou le type de colonne montante ( Une première configuration connue est celle appelée à suspension libre ( niveau de la zone de contact (" touch down " en anglais) sur le fond marin. Dans cette configuration et quel que soit le type de colonne montante utilisé, la compensation des mouvements verticaux ( courbe de la colonne montante. Lorsqu'une colonne montante est constituée, dans cette configuration à suspension libre, par un tube rigide ou par deux tubes rigides concentriques, elle est dénommée à suspension catenaire (" Steel Catenary Riser ou SCR >> en anglais); le rayon de courbure de la portion courbe qui ne doit pas dépasser la limite élastique du matériau métallique constituant le SCR, est relativement grand, de l'ordre de 100 mètres et même davantage. Un tel rayon de courbure important a pour effet 2 2790814 d'éloigner le point de contact de la verticale passant par le point de liaison avec l'équipement de surface, ce qui limite son utilisation dans une zone de production comprenant plusieurs points puisqu'à chaque puits il faudrait, en théorie, un SCR. De plus, un SCR accepte très peu de variation verticale pour compenser les mouvements verticaux de l'équipement de surface. En général, la variation verticale doit être inférieure à 1 à 2 % de la profondeur d'eau. De même, les déplacements horizontaux sont limités car ils induisent une fatigue supplémentaire au niveau de la portion courbe. Enfin, le SCR nécessite d'utiliser un joint tournant en partie supérieure à la liaison avec 1o l'équipement de surface. Malgré ses avantages relatifs à une bonne isolation thermique et un prix linéaire acceptable, il n'en demeure pas moins vrai qu'il est peu utilisé lorsqu'un même équipement de surface doit concerner plusieurs têtes de puits d'exploitation et/ou que les déplacements de l'équipement de surface sont importants par rapport à la profondeur d'eau. Une conduite flexible peut être utilisée en mer profonde dans la configuration en suspension libre. Elle présente des avantages par rapport au SCR, comme par exemple un rayon de courbure beaucoup plus faible, au niveau de la portion courbe avec le fond marin, ledit rayon de courbure devant être supérieur au MBR (Minimum Bending Radius) et il est typiquement de l'ordre de 2 à 15 m, soit dix fois moins au minimum que pour le SCR. En outre, il permet de plus grands mouvements verticaux et horizontaux de l'équipement de surface grâce à une meilleure tenue en fatigue. Toutefois, il présente les inconvénients d'être très lourd, d'avoir une isolation thermique moins bonne que le SCR et d'avoir un prix linéaire plus élevé que le SCR. Ainsi, la configuration à suspension libre peut être utilisée dans des mers peu profondes avec un équipement de surface mobile ou fixé sur le fond marin et, en général, dans des sites dans lesquels il y a peu de vagues et de courants marins. Pour des mers profondes, les colonnes montantes sont très lourdes et, pour éviter, des poids suspendus très importants, il est préférable d'avoir recours à d'autres configurations. Une autre configuration consiste à monter, d'une manière appropriée, des moyens de flottaison à flottabilité positive afin de répartir le poids suspendu entre les parties supérieure et inférieure de la colonne 3 2790814 montante. La colonne montante peut être constituée soit par une tour, soit par un SCR combiné à un autre élément qui peuvent présenter diverses configurations de pose dites LAZY, STEEP en " S >> ou "wave ", ces configurations étant représentées dans les documents API 1 7B et 1 7J (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE). Une tour est montée verticalement depuis le fond marin sur lequel elle est fixée par des moyens appropriés jusqu'à une certaine distance de l'équipement de surface. En raison du poids très important de la tour qui comprend intérieurement un certain nombre de conduits de remontée de 0o fluide notamment, il est prévu d'installer en partie supérieure des moyens énormes de flottaison pour reprendre la majeure partie du poids de la tour. De plus, des chaînettes flexibles, à concavité tournée vers le haut, relient la tour à l'équipement de surface, ces chaînettes qui peuvent être constituées par de courtes longueurs de conduites flexibles (dénommées " jumpers " en anglais) étant destinées entre autre, à permettre des mouvements relatifs entre l'équipement de surface et la tour. Le faisceau de tubulures intégré dans la tour peut comprendre une ou plusieurs tubulures de poussée ou d'injection d'un gaz (" Gas lift " en anglais). De plus, l'amortissement de l'effet de pilonnement (heave compensation) peut être assuré par des vérins montés entre l'équipement de surface et le sommet de la tour. Une autre configuration hybride utilise une colonne montante dont la partie inférieure est constituée par un SCR et dont la partie supérieure est constituée par une courte conduite flexible (jumper) disposée sur des moyens de flottaison tels qu'une bouée dite arche de flottaison. De cette manière, le poids de la colonne est repris par les moyens de flottaison et le pilonnement est compensé par la chaînette de la courte conduite flexible. Toutefois, la pose des conduites montantes dans toutes les configurations utilisant des moyens de flottaison intermédiaires (" mid water buoyancy " en anglais) est relativement longue et difficile à mettre en oeuvre. En effet, les moyens de flottaison intermédiaires sont montés avant la pose de la colonne montante. Ces moyens de flottaison sont reliés par des lignes d'amarrage à des poids morts ou ancrages fixés dans le fond marin. Ensuite, le SCR est posé en le reliant aux moyens de flottaison. La courte conduite flexible (ou jumper) est reliée à la structure flottante. 4 2790814 Un autre inconvénient est lié à la longueur totale de la colonne qui est plus longue qu'en configuration à suspension libre. Quant aux configurations LAZY, STEEP " S " ou WAVE utilisant une conduite totalement flexible, il est impératif d'associer des moyens de flottaison à flottabilité positive à une partie de ladite conduite flexible. Dans le cas d'une arche, il faut descendre et fixer le poids mort sur le fond marin à un endroit bien précis et déterminé, puis fixer l'arche au poids mort par des tirants ou des chaînes avant de reprendre la pose de la conduite flexible. Dans le cas de moyens de flottaison constitués par des bouées disposées en chapelet le long d'une partie de la conduite, il est nécessaire d'interrompre la pose de la conduite flexible pour fixer chaque bouée sur ladite partie de conduite, une telle opération étant effectuée sur le pont du navire de pose. Ainsi quelle que soit la configuration envisagée et le type de colonne montante utilisé, il faut des moyens complémentaires pour reprendre une partie du poids de la colonne montante et/ou des moyens spécifiques pour réduire l'effet du pilonnement dans la zone de contact avec le fond de la mer, tout en gardant à l'esprit que plus le poids de la partie rigide de la colonne montante, lorsqu'elle est intégrée, est élevé et plus les moyens de flottaison sont importants, ce qui engendre une force de traînée (" drag diameter " en anglais) et des efforts hydrodynamiques plus importants. La présente invention a pour but de proposer une nouvelle configuration hybride qui permet d'éliminer l'utilisation de techniques annexes telles que notamment les moyens de flottabilité, les câbles tensionneurs, les joints flexibles ou tournants et les ancrages sur le fond marin. Un objet de la présente invention est une colonne montante hybride caractérisée en ce qu'elle comprend une partie centrale rigide métallique dont une extrémité supérieure est reliée à au moins un tronçon supérieur de conduite flexible de longueur prédéterminée et dont l'autre extrémité inférieure est reliée à une conduite flexible inférieure de longueur au moins égale à la longueur du tronçon supérieur de conduite flexible. 2790814 Selon une autre caractéristique de la présente invention, la partie centrale rigide est reliée au tronçon supérieur de conduite flexible et à la conduite flexible inférieure par un organe de raccordement fixe. Un avantage de la présente invention réside dans le fait qu'on obtient une colonne montante rigide dans sa majeure partie et qui présente les propriétés des conduites flexibles au départ de l'équipement de surface et au contact avec le fond marin. De plus, les sollicitations dynamiques auxquelles peut être soumise la colonne montante hybride sont facilement absorbées ou compensées tant en partie supérieure qu'en partie inférieure de ladite colonne montante, grâce à la présence de véritables conduites flexibles, ce qui permet de grandes excursions de l'équipement de surface à partir duquel est suspendue ladite colonne montante et ce, sans survirage ("overbending" en anglais). Enfin, grâce au fait qu'il n'est plus nécessaire d'utiliser des moyens de flottaison, l'installation de la colonne montante selon l'invention est effectuée à la manière d'une configuration à suspension libre. De cette manière, on est en présence d'une colonne montante la plus courte possible et avec un prix linéaire moyen sensiblement équivalent à celui d'un SCR tout en utilisant des tronçons flexibles. En outre, le tronçon flexible supérieur reprend tout le poids de la partie rigide médiane et du tronçon flexible inférieur, alors que ce dernier reprend presque toutes les sollicitations dynamiques engendrées par les mouvements de l'équipement de surface. De ce fait, l'équipement de surface peut se déplacer tant horizontalement que verticalement sur des distances relativement importantes sans provoquer des effets importants sur la colonne montante selon la présente invention, puisque ladite colonne est capable de suivre lesdits mouvements de l'équipement de surface et ce, sans engendrer une fatigue et/ou une usure supplémentaires dans la partie courbe du tronçon inférieur qui, grâce à sa flexibilité, est apte à se déplacer sur le fond marin et à absorber convenablement l'effet de pilonnement. Selon la présente invention le tronçon inférieur de conduite flexible comprend au moins une portion qui est sous forme de vague et qui est ménagée entre l'extrémité de fixation au tronçon rigide central et le point de contact avec le fond marin. 6 2790814 Un avantage de l'invention, est de réduire l'angle en tête de la colonne montante pour la ramener à 3 environ, ce qui permet d'augmenter l'amplitude des mouvements de ladite colonne montante dans des conditions sévères d'utilisation. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré de l'invention ainsi que des dessins annexés sur lesquels: - la figure I est une représentation schématique d'une plate- forme à la surface de l'eau à laquelle est raccordée une colonne montante selon la présente invention; - la figure 2 est une vue partielle de la colonne montante, limitée aux liaisons entre les parties flexibles et la partie rigide; - la figure 3 est une vue partielle en perspective d'une conduite flexible qui est raccordée à la partie centrale rigide de la colonne montante; - la figure 4 est une représentation partielle et schématique de la portion en forme de vague du tronçon inférieur de la colonne montante de la figure 1; - la figure 5 est une autre représentation partielle et schématique de la portion en forme de vague du tronçon inférieur de la colonne montante de la figure 1; - la figure 6 est une représentation partielle et schématique des moyens utilisés pour obtenir la portion en forme de vague du tronçon inférieur de la colonne montante de la figure 1. La colonne montante hybride double selon l'invention, appelée ainsi parce qu'elle comprend deux parties flexibles situées de part et d'autre d'une partie centrale rigide, est disposée entre un équipement de surface tel qu'une plate-forme 1 disposée à la surface 2 d'une mer et le fond marin 3, l'équipement de surface pouvant être également constitué par un navire. La colonne montante 4 comprend une partie supérieure constituée par un tronçon de conduite flexible 5 dont la longueur est prédéterminée et dépendante des mouvements horizontaux de la plate- forme 1 des effets de houle ou des courants marins présents dans la mer, lesquels effets pouvant agir sur le tronçon flexible supérieur 5. De façon typique, la longueur prédéterminée du tronçon de conduite flexible 5 est suffisante pour que la connexion avec le tronçon rigide 8 décrit ci-dessous 7 2790814 soit située dans une zone sensiblement non affectée par la houle. Par exemple, la longueur du tronçon supérieur de conduite flexible est comprise entre 50 et 150 m. Le tronçon flexible supérieur 5 est de structure connue en soi, comme par exemple celle représentée sur la figure 3 mais aménagée pour jouer le rôle d'une colonne montante ("riser" en anglais) et qui sera décrite ultérieurement. L'extrémité supérieure 6 du tronçon flexible 5 est raccordée à la plate-forme 1 de la même manière qu'est raccordée une conduite flexible classique. Un raidisseur peut être monté sur le tronçon flexible 5, soit au niveau de la liaison avec la plate-forme 1, soit au niveau de la liaison avec la partie rigide 8. L'extrémité inférieure 7 du tronçon flexible 5 est raccordée à une partie rigide centrale métallique 8 dont la structure est identique ou similaire à une colonne montante rigide classique. Le raccordement est iS effectué au moyen d'un embout terminal 14 monté à l'extrémité inférieure 7 du tronçon flexible 5 dont la bride 15 est boulonnée à une bride 16 montée sur l'extrémité supérieure 9 de la partie centrale rigide 8. A l'extrémité inférieure 10 de la partie centrale rigide 8 est raccordée, comme précédemment, une conduite flexible 11 au moyen des brides 17 et 18 et d'un embout 19. La longueur de la conduite flexible 11 est au moins égale à celle du tronçon flexible 5 et, en général, largement supérieure car une partie de ladite conduite flexible 11 constitue une conduite de fond ("flow line" en anglais) qui est reliée à un équipement de fond, non représenté et qui peut être constitué par un manifold ou une tête de puits ou être prolongée par une conduite de fond rigide ou flexible. De préférence, la longueur de la conduite flexible 11 est supérieure à 200 mètres ou même supérieure à 300 mètres de manière que le point de contact 12 ("touch down" en anglais) avec le fond marin soit situé sensiblement dans la zone de contact d'une conduite flexible librement suspendue entre la plate-forme 1 et le fond marin 3. Il va de soi que la partie de la conduite flexible inférieure 11 qui repose sur le fond marin peut présenter une longueur qui peut atteindre plusieurs centaines de mètres. La double colonne montante hybride représentée sur la figure 1 fait un angle Cl avec une verticale 13 passant par le point de fixation de 8 2790814 l'extrémité supérieure 6 du tronçon flexible 5 sur la plate-forme 1, qui est légèrement supérieure à celui que ferait une conduite flexible librement suspendue mais très inférieure à une configuration à suspension caténaire. Dans un exemple de réalisation, l'angle ce est compris entre 5 et 25 et, de préférence, sensiblement égal à 10 . Le tronçon flexible supérieur 5 présente une structure adéquate pour supporter la quasi- totalité des efforts de traction, en la dotant d'une armure ou de nappes d'armures appropriées et d'une voûte de pression- carcasse relativement faible puisque dans les premières centaines de mètres 0o de profondeur de la mer, ledit ensemble n'a pas à supporter une résistance à l'écrasement trop importante du fait de la relative faible pression externe exercée sur ledit tronçon flexible supérieur 5. Par contre, le pilonnement produit par les mouvements verticaux (ou composantes verticales) de l'équipement de surface tel qu'un bateau ou une plate-forme, sont répercutés quasi intégralement au niveau de la zone ou point de contact avec le fond de la mer 3. La présence d'un tronçon flexible dans la colonne montante, dans cette zone, permet de concevoir une structure pour ledit tronçon flexible qui soit telle qu'il doive résister à la pression externe qui est d'autant plus importante que le gisement est à grande profondeur. A cet effet, le tronçon flexible inférieure 11 présentera une armure ou des nappes d'armures de traction relativement faibles, les efforts de traction étant supportés par le tronçon flexible supérieur 5, mais un ensemble voûte de pression- carcasse capable de résister à l'écrasement et aux composantes circonférentielles développées dans la conduite flexible. De ce fait et grâce à la combinaison des deux tronçons flexibles de chaque côté de la partie rigide intermédiaire, la fatigue de la colonne montante se trouve grandement diminuée tout en autorisant des mouvements latéraux ou horizontaux de l'équipement de surface relativement importants. La colonne montante selon l'invention peut être dotée d'une isolation thermique passive comme cela est habituellement réalisé, c'està- dire que l'ensemble de la colonne comprend une couche externe de matériau isolant ou dans le cas d'une partie rigide à double corps ("pipe in pipe" en anglais) d'une couche isolante disposée entre les corps de la partie rigide et une couche isolante disposée sous la gaine externe d'étanchéité pour les 9 2790814 parties flexibles. Dans ce cas, les moyens de poussée ou d'injection de gaz ("gas lift" en anglais) sont indépendants de la colonne montante. Dans le cas ou une isolation thermique importante est nécessaire, il est préférable de réaliser les tronçons flexibles de la colonne montante comme représenté sur la figure 3, bien que la partie inférieure flexible de ladite colonne montante puisse présenter une structure différente par exemple dépourvue des tubulures de réchauffement et/ou de poussée de gaz. La figure 3 représente partiellement une structure du tronçon 1o flexible supérieur 5 comprenant de l'intérieur vers l'extérieur: - une carcasse métallique 20, - une gaine d'étanchéité interne 21, - une voûte de pression 22, - éventuellement une gaine intermédiaire 23, - une première nappe d'armures de traction 24 enroulée suivant un angle d'armage prédéterminé, - éventuellement une autre gaine intermédiaire 25, - une autre nappe d'armures de traction 26, - éventuellement une troisième gaine intermédiaire 27, l'ensemble 20 à 27 constituant ce qu'il est convenu d'appeler l'âme de la conduite flexible représentée sur la figure 3, - une isolation thermique 28 disposée entre une gaine d'étanchéité externe 29 et un sous-ensemble 30 comprenant des tubulures 31 et 32 ainsi que des entretoises 33. Les tubulures 31 régulièrement réparties à la périphérie de l'âme, sont utilisées pour la circulation d'un fluide de chauffage tel que de l'eau, de manière à maintenir la température du fluide de gisement et éviter que ce dernier ne se refroidisse brutalement entre le fond de la mer 3 et la plate- forme 1. Ces tubulures de réchauffage 31 sont reliées de manière appropriée à des conduites analogues disposées dans la partie rigide 8. Les tubulures 32 également réparties régulièrement à la périphérie de l'âme, par exemple en alternance avec les tubulures de réchauffage 31, sont utilisées pour envoyer un gaz dans le gisement de manière à pousser le fluide de gisement et lui conférer, si besoin était, une pression suffisante. o 2790814 Les entretoises 33 peuvent être prévues entre les tubulures consécutives afin de bien les immobiliser et les empêcher de se déplacer. Dans une forme de réalisation, le tronçon de conduite flexible inférieure 11 présente au moins une portion 40 courbe, par exemple sous forme d'une vague 41, de manière à conférer audit tronçon de conduite flexible 1l 1 une flottabilité positive. Divers moyens peuvent être utilisés pour obtenir une portion courbe sous forme de vague, comme ceux représentés sur les figures 4 à 6. La figure 4 qui est une vue partielle du tronçon de conduite 1o flexible 1l 1 comprend des bouées 42 qui sont réparties sur la portion 40. Dans cet exemple, la vague est sous la forme d'un renflement lorsque le tronçon inférieur 1 1 est en position normale. Lorsque la plate-forme ou le navire reposant à la surface de l'eau se rapproche du point de contact avec le fond marin 3, la portion 40 se déforme pour affecter la forme d'une vague, comme cela est représenté sur la figure 5, ce qui permet d'éviter tout contact du tronçon central rigide 8 sur le fond marin. Bien que les bouées 41 soient réparties régulièrement sur toute la portion 40 du tronçon inférieur 11, il est possible de réduire le nombre de bouées et de les répartir seulement à la partie supérieure de la vague, en fonction de la déformation souhaitée pour la portion 40, qui dépend de l'amplitude des mouvements auxquels est soumis le tronçon inférieur 11. D'autres moyens peuvent être utilisés, comme par exemple ceux représentés sur la figure 6. Dans cet exemple, la portion 40 est en appui partiellement sur une arche 43 qui est ancrée sur le fond marin 3 au moyen d'un organe de liaison souple 44, de manière à permettre à ladite arche de se déplacer dans toutes les directions. L'organe de liaison 44 peut être constitué par un câble ou tout autre organe équivalent. Il est à noter que la portion en forme de vague permet de réduire l'angle ca pour le ramener à environ 3 . De plus, le tronçon inférieur de conduite flexible peut présenter diverses configurations telles que LAZY WAVE avec des bouées de flottaison disposées en chapelet pour avoir une flottabilité distribuée ou LAZY S par l'utilisation de l'arche qui conduit à une flottaison concentrée. Il 2790814 RE VENDICA TIONS 1. Colonne montante hybride (4), du type comprenant un tronçon central rigide métallique (8) dont une extrémité est reliée à au moins un tronçon supérieur de conduite flexible (5) de longueur prédéterminée et dont l'autre extrémité est reliée à un tronçon inférieur de conduite flexible (11) de longueur au moins égale à la longueur prédéterminée du tronçon 0o supérieur de conduite flexible, ledit tronçon inférieur de conduite flexible étant en contact avec un fond marin par au moins un point de contact, caractérisée en ce que le tronçon inférieur de conduite flexible (11) comporte au moins une portion (40) qui est sous forme de vague (41) et qui est ménagée entre l'extrémité de fixation au tronçon rigide central (8) et le is point de contact avec le fond marin (3). 2. Colonne montante hybride selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion en forme de vague (40) est obtenue au moyen de bouées de flottaison (42) disposées sur au moins la partie supérieure de la vague (41). 3. Colonne montante hybride selon la revendication 2, caractérisée en ce que les bouées de flottaison (42) sont réparties sur sensiblement toute la longueur de la portion (40) en forme de vague (41). 4. Colonne montante hybride selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion en forme de vague est obtenue au moyen d'une arche (43) sur laquelle repose ladite portion et qui est ancrée sur le fond marin (3) au moyen d'un organe de liaison souple (44).