Brevet FR2796105A1 — publié le 20010112

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une méthode pour charger un accumulateur hydraulique ou une batterie d'accumulateurs hydrauliques qui servent pour la commande d'équipements utilisés pour des opérations de forage de puits de production d'hydrocarbures en mer, notamment par grands fonds, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de cette méthode. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Des équipements couramment utilisés au cours d'opérations de forage de puits de production d'hydrocarbures sont actionnés par un fluide hydraulique sous pression qui agit sur des vérins. C'est le cas notamment des obturateurs de sécurité de fond plus connus sous le terme anglais de BOP (Blowout Preventer) qui équipent les têtes de puits sous-marines et qui ont pour objet d'isoler les puits en cas d'incidents. Pour actionner un équipement donné normalement raccordé à une source de liquide hydraulique, il faut en cas de déconnexion d'avec cette source, disposer d'un volume Vm donné de liquide hydraulique sous une pression supérieure à une valeur minimale Pm. Vm et Pm sont données pour chaque équipement par le constructeur et prennent en compte des marges de sécurité. Un dispositif connu qui satisfait à ces exigences est l'accumulateur hydraulique qui comprend une enceinte rigide étanche de forme générale cylindrique dont la partie supérieure contient un gaz sous pression par exemple de l'azote et la partie inférieure un liquide hydraulique, le liquide et le gaz étant séparés par une membrane déformable. Une méthode connue pour charger un accumulateur hydraulique est décrite dans le document édité par la Société WEST intitulé "Drill thorough and calculation" Section "Accumulators" pages 1-6. Cette méthode consiste à remplir l'accumulateur avec de l'azote à une pression de précharge, égale par exemple à 68,94 bars (Il 000 Psi), puis injecter dans l'accumulateur du liquide hydraulique au moyen d'une pompe adaptée, jusqu'à ce que la pression dans l'accumulateur atteigne la valeur minimale Pm de la pression nécessaire pour actionner l'équipement destiné à être actionné par l'accumulateur, par exemple 82,73 bars (1 000 Psi). Le volume de gaz comprimé est alors égal à environ 5/6 du volume total de l'accumulateur. L'opération d'injection est poursuivie jusqu'à ce que la pression dans l'accumulateur atteigne la valeur dite opératoire par exemple 3000 Psi. Le liquide hydraulique occupe alors les 2/3 du volume de l'accumulateur. Dans ces conditions l'accumulateur permettrait de disposer d'un volume de liquide égal à la moitié du volume (2/3 moins 1/6) de l'accumulateur sous une pression comprise entre 206,82 bars (3 000 Psi) et 82,73 bars (1 000 Psi) pour actionner un équipement à la pression atmosphérique. Pour obtenir des valeurs comparables pour un fonctionnement d'équipements et d'accumulateurs immergés par grande profondeur d'eau, du fait de la pression hydrostatique, il faut augmenter la pression de précharge, par exemple de 310,23 bars (4 500 Psi) pour une profondeur de 3 000 mètres. De telles valeurs sont incompatibles avec les accumulateurs existants et présentent de sérieux dangers et problèmes de manipulation en surface des équipements et des accumulateurs associés. Les accumulateurs disponibles actuellement fonctionnent avec un rendement faible qui doit être compensé par un augmentation du nombre d'accumulateurs et par la taille des vérins montés sur les équipements. Cette augmentation de la taille des vérins se traduit par une augmentation de la consommation en fluide hydraulique qui doit être compensée par une augmentation du nombre d'accumulateurs. De même pour la faiblesse du rendement des accumulateurs. Par exemple, pour commander par une profondeur de 1 500 mètres d'eau un obturateur de sécurité de 45,72 cm comportant un dispositif de fermeture d'un annulaire et trois dispositifs de fermeture sur tige de forage, en respectant la norme API RP-53, lst Ed., Subsea bop accumulator capacity calculations, on doit disposer de 666 litres de liquide utilisable entre la pression d'opération 150 Bar et 13 Bar au dessus de la pression de précharge égale à 66 Bar. Compte tenu du facteur d'utilisation c'est à dire la fraction utilisable du volume de l'accumulateur, calculé selon la norme API précédemment citée, égal à 0,11, il faut une batterie de 160 accumulateurs d'une capacité unitaire de 37,9 litres. Etant donné le volume et le poids d'une telle batterie, cette technique est impraticable. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a justement pour objet de remédier à ces inconvénients et de fournir une méthode et un dispositif de chargement d'accumulateurs hydrauliques sous-marins particulièrement efficaces par grands fonds. A cette fin, la présente invention propose une méthode de charge d'un accumulateur de pression hydraulique sous-marin qui consiste, avant immersion dudit accumulateur à le remplir d'un gaz à une pression de précharge puis à comprimer ledit gaz par pompage d'un liquide hydraulique, jusqu'à ce que la pression à l'intérieur dudit accumulateur atteigne une valeur opératoire, puis à immerger ledit accumulateur, méthode caractérisée en ce qu'elle consiste au fur et à mesure de l'immersion dudit accumulateur, à injecter un gaz à l'intérieur, pour maintenir la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur dudit accumulateur égale à une pression opératoire. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'injection de gaz dans l'accumulateur pendant son immersion est réalisée à partir d'une source de gaz immergée en même temps que l'accumulateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de gaz est de l'azote liquide. L'invention a aussi pour objet un dispositif de charge d'un accumulateur de pression hydraulique sous-marin, rempli partiellement avant immersion, d'un liquide hydraulique et d'un gaz, la pression à l'intérieur dudit accumulateur étant égale à une valeur opératoire, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une source de gaz sous pression supérieure à la pression opératoire, en communication avec l'intérieur de l'accumulateur et des moyens de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur qui agissent pour maintenir ladite différence de pression égale à la pression opératoire au fur et à mesure de l'immersion de l'accumulateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source de gaz comporte une capacité auxiliaire thermiquement isolée, solidaire de l'accumulateur et partiellement remplie d'un gaz liquéfié. Selon une autre caractéristique de l'invention, le gaz liquéfié est de l'azote. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur comportent un clapet de non retour taré à la valeur de la pression opératoire et monté de manière à décharger l'accumulateur lorsque ladite différence de pression dépasse la valeur de la pression opératoire. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur comportent une canalisation d'échappement munie d'une vanne automatique, un capteur de mesure de ladite différence de pression et un régulateur qui coopèrent pour maintenir ladite différence de pression égale à la pression opératoire. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif conforme au descriptif de l'invention, - la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif conforme au descriptif de l'invention, EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION D'une manière générale la méthode et le dispositif de l'invention sont utilisés pour charger des accumulateurs hydrauliques qui servent pour la commande d'équipements utilisés pour des opérations de forage de puits de production d'hydrocarbures en mer. La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention qui comporte trois accumulateurs la, lb et lc chacun comprenant une enveloppe 2a, 2b, 2c étanche à l'intérieure de laquelle est montée une vessie 3a, 3b et 3c élastique qui sépare la partie supérieure 4a, 4b, 4c de la partie inférieure 5a, 5b, 5c. La vessie est destinée à recevoir un gaz sous pression et la partie inférieure un liquide hydraulique. Les parties 4a, 4b et 4c supérieures sont reliées par une canalisation 6 sur laquelle est montée une vanne 16. Les parties inférieures 5a, 5b et 5c sont reliées par une canalisation 7. La canalisation 7 est reliée d'une part par une canalisation 9 au travers d'une vannelO à un obturateur 8 de sécurité actionnable hydrauliquement et d'autre part par une canalisation 11 à la sortie d'une pompe 12 haute pression au travers d'une vanne 13. Le dispositif de l'invention comporte une capacité 23 auxiliaire haute pression, isolée thermiquement par un revêtement 24 extérieur en matériau isolant, remplie partiellement d'azote liquide 25, sa partie supérieure communiquant avec les parties supérieures 4a, 4b, 4c des accumulateurs la, lb, lc par une canalisation 17 reliée à la canalisation 6. La canalisation 17 est aussi reliée à un dispositif 19 de remplissage au travers d'une vanne 18 et à un clapet 21 de non retour par une canalisation 20. Le clapet 21 taré à une valeur DP est monté de manière à permettre l'échappement par la conduite 22 du gaz contenu dans la partie supérieure de la capacité 23 auxiliaire lorsque sa pression dépasse la valeur DP. Avant d'être descendus au fond de la mer où ils doivent opérer, les accumulateurs sont remplis d'azote à une pression de précharge, par exemple 68,94 bars (l 000 Psi) , selon une procédure connue à partir d'une source non représentée sur la figure 1 les vannes 10, 13 et 16 étant fermées. Toujours selon une procédure connue les accumulateurs sont remplis partiellement par du liquide hydraulique stocké dans le réservoir 14 au moyen de la pompe 12, la vanne 13 étant ouverte. Cette opération est arrêtée lorsque la pression dans les accumulateurs mesurée au moyen du manomètre 26 atteint la valeur DP de préférence égale à la pression maximale admissible dans les accumulateurs, par exemple 206,82 bars (3 000 Psi). La vanne 13 est fermée et la canalisation 11 déconnectée de la vanne 13. Les accumulateurs sont alors remplis de liquide hydraulique au 2/3 de leur volume sous une pression de 206,82 bars (3 000 Psi). Selon la méthode de l'invention la capacité 23 auxiliaire est partiellement remplie avec de l'azote liquide à la pression atmosphérique soit à une température d'environ -195'C, à partir des moyens 19 de remplissage et au travers de la vanne 18 ouverte. Lorsque le remplissage partiel de la capacité auxiliaire est terminé la vanne 18 est refermée. La pression dans la capacité mesurée au moyen du manomètre 27, étant inférieure à la pression de tarage DP du clapet 21 ce dernier est fermé. Par apport d'énergie thermique par le milieu ambiant l'azote liquide entre en ébullition et libère de l'azote sous forme de gaz ce qui a pour effet de faire augmenter la pression dans la capacité auxiliaire. Cette pression est mesurée au moyen du manomètre 27. Lorsqu'elle atteint une valeur voisine de la pression dans les accumulateurs la vanne 16 est ouverte. Si la pression dans l'espace commun aux accumulateurs et à la capacité auxiliaire dépasse la pression de tarage du clapet 21 l'azote gazeux en excès s'échappe par la canalisation 22. L'ensemble des équipements devant opérer au fond de la mer, c'est à dire l'obturateur de sécurité 8, les accumulateurs la, lb, lc, la capacité 23 auxiliaire, le clapet 21 et les canalisations associées munies de leurs vannes est immergé. La température de l'eau de mer étant toujours supérieure à 4'C, l'azote liquide 25 contenu dans la capacité auxiliaire 23 continue à bouillir et donc à se transformer en gaz, il en résulte une augmentation de la pression dans la capacité auxiliaire et dans les accumulateurs auxquels elle est connectée jusqu'à ce que cette pression atteigne une valeur égale à la pression hydrostatique augmentée de la pression de tarage du clapet 21. La vitesse de descente de l'ensemble des équipements doit être ajustée de manière à ce que entre deux profondeurs la quantité de gaz produit par ébullition de l'azote liquide soit suffisante pour engendrer l'augmentation de pression suffisante pour compenser l'augmentation de pression hydrostatique entre les deux profondeurs. Si la quantité de gaz engendrée est trop importante le gaz en excès est évacué par le clapet 21. Le dispositif de l'invention comporte aussi un transmetteur 28 de pression différentielle qui délivre un signal électronique proportionnel à la différence de pression entre les accumulateurs et la pression hydrostatique, retransmis par des moyens connus à un indicateur en surface à proximité des moyens de descente des équipements, non représentés sur la figure 1. La vitesse de descente des accumulateurs est ajustée de manière à ce que cette différence de pression soit maintenue légèrement inférieure à la pression de tarage du clapet 21. Lorsque cette différence de pression devient trop importante la vitesse descente est réduite. Ainsi grâce au dispositif de l'invention, la pression hydrostatique croissante au fur et à mesure de la descente des équipements est compensée et la pression disponible dans les accumulateurs augmente avec la profondeur. La pression efficace du liquide hydraulique, égale à la pression dans les accumulateurs diminuée de la pression hydrostatique est constante quelque soit la profondeur à laquelle l'obturateur doit être utilisé et égale à la pression de tarage du clapet 21. Si la pression efficace minimale à laquelle doit être opéré l'obturateur est égale à 82,73 bars (1 000 Psi), le dispositif de l'invention permet d'opérer par très grandes profondeurs avec du liquide hydraulique dont la pression est comprise entre 206,82 bars (3 000 Psi) et 82,73 bars (1 000 Psi) dans notre exemple. Selon un deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2 le dispositif de l'invention comporte les mêmes éléments que ceux décrits pour le premier mode de réalisation et qui fonctionnent de la même manière, à l'exception du clapet de non retour qui est remplacé par un régulateur 31 de pression différentielle dont l'entrée mesure est raccordée à la sortie 29 du capteur 28 de pression différentielle et qui agit sur une vanne 30 automatique de régulation à deux voies pour maintenir la pression différentielle entre l'intérieur des accumulateurs et le milieu extérieur égale à une valeur de consigne par exemple 206,82 bars (3 000 Psi). Lorsque la pression différentielle devient supérieure à la valeur de consigne le régulateur 30 donne un ordre d'ouverture à la vanne 30 automatique pour évacuer par la conduite 22 l'excès d'azote gazeux libéré par l'ébullition de l'azote liquide de la capacité auxiliaire 23. D'autres variantes du dispositif de l'invention à la portée de l'homme du métier de l'invention sont envisageables, par exemple le remplacement de la vanne 30 automatique à deux voies par une vanne à trois voies pour orienter le gaz produit par ébullition de l'azote liquide dans la capacité 23 auxiliaire soit vers les accumulateurs par la canalisation 6 pour augmenter la pression dans ces derniers, soit vers la canalisation 22 pour la diminuer. EXEMPLE : Dimensionnement d'une capacité auxiliaire du dispositif de l'invention. On veut disposer de 379 litres (10 US Gallons) de liquide sous pression, à une profondeur d'eau de 3 000 mètres, à partir de 10 accumulateurs d'une capacité unitaire de 37,9 litres. Partant d'une pression de précharge en surface égale à 70 Bar (1 000 Psi), la pression à obtenir dans les accumulateurs à la profondeur de 3 000 mètres sera de 70 + 300 = 370 Bar, 300 Bar représentant la pression hydrostatique à cette profondeur. Selon la méthode de l'invention cette pression est obtenue par évaporation d'azote liquide au cours de la descente au fond de la mer du dispositif de l'invention. Les caractéristiques physiques de l'azote relevées dans l'Encyclopédie de l'Air Liquide sont les suivantes : - ------ - __ - --- ---------- --------- -------- Température Pression Masse volumique en K en Bar en kg /M3 77,3 1 808,6 280 70 85,3 280 370 381,1 Pour chaque mètre cube de volume d'accumulateur il faut apporter 381,1 - 85,3 = 295,8 kg d'azote soit 295,8/808,6 = 0,366 m3 d'azote. Pour les dix accumulateurs, représentant un volume de 379 litres il faut apporter 379xO,366 litres d'azote liquide. En se réservant une marge de sécurité on choisit une capacité auxiliaire de 200 litres. Grâce à la méthode et au dispositif de l'invention on dispose à une profondeur d'eau de 3 000 mètres, de 379 litres de liquide sous une pression comprise entre 570 et 370 Bar avec seulement 10 accumulateurs de 37,9 litres et une capacité auxiliaire de 200 litres. Ces chiffres sont à comparer aux 160 accumulateurs de capacité 37,9 litres nécessaires pour agir par une profondeur de seulement 1 500 mètres, en mettant en oeuvre la technique connue décrite précédemment. REVENDICATIONS 1 - Méthode de charge d'un accumulateur de pression hydraulique sous-marin qui consiste, avant immersion dudit accumulateur à le remplir d'un gaz à une pression de précharge puis à comprimer ledit gaz par pompage d'un liquide hydraulique, jusqu'à ce que la pression à l'intérieur dudit accumulateur atteigne une valeur opératoire, puis à immerger ledit accumulateur, méthode caractérisée en ce qu'elle consiste au fur et à mesure de l'immersion dudit accumulateur, à injecter un gaz à l'intérieur, pour maintenir la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur dudit accumulateur égale à une pression opératoire. 2- Méthode selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'injection de gaz dans l'accumulateur pendant son immersion est réalisée à partir d'une source de gaz immergée en même temps que l'accumulateur. 3- Méthode selon la revendication 2 caractérisée en ce que la source de gaz est de l'azote liquide. 4- Dispositif de charge d'un accumulateur (la, lb, lc) de pression hydraulique sous-marin, rempli partiellement avant immersion, d'un liquide hydraulique et d'un gaz, la pression à l'intérieur dudit accumulateur étant égale à une valeur opératoire, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte une source (23) de gaz sous pression supérieure à une pression opératoire, en communication avec l'intérieur de l'accumulateur et des moyens (20, 21, 22) de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur qui agissent pour maintenir ladite différence de pression égale à la pression opératoire au fur et à mesure de l'immersion de l'accumulateur. 5- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la source de gaz comporte une capacité (23) auxiliaire thermiquement isolée, solidaire de l'accumulateur et partiellement remplie d'un gaz (25) liquéfié. 6- Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le gaz liquéfié est de l'azote. 7- Dispositif selon une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur comportent un clapet (21) de non retour taré à la valeur de la pression opératoire et monté de manière à décharger l'accumulateur lorsque ladite différence de pression dépasse la valeur de la pression opératoire. 8- Dispositif selon une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur de l'accumulateur comportent une canalisation (22) d'échappement munie d'une vanne (30) automatique, un capteur (28) de mesure de ladite différence de pression et un régulateur (31) qui coopèrent pour maintenir ladite différence de pression égale à la pression opératoire.