Brevet FR2853618A1 — publié le 20041015

- 1 1 La présente invention concerne un dispositif conçu comme une station sous marine autonome capable de se stabiliser et de travailler sous la surface des océans et à la profondeur désirée, à divers travaux selon les équipements et les automatismes installés, permettant un fonctionnement relais avec les opérateurs de surface. Son utilité tient au fait que de nombreuses opérations en mer, industrielles ou scientifiques, sont perturbées en surface par la houle ou les intempéries. En profondeur, les interventions sont limitées tant en moyens techniques qu'en durée. Son principe vise à remédier à ces inconvénients par des solutions intermédiaires. En général, oes travaux se font depuis des bâtiments de surface mobiles ou fixes, flottants ou fondés, ou bien par l'intervention en profondeur de robots. La première situation rencontre les difficultés susdites d'intempéries, la seconde est très 15 limitée par les conditions extrêmes de la grande profondeur (pression, éloignement physique) et ne permet que des tâches bien spécifiques. Le dispositif selon l'invention concerne une station sous marine autonome et automatisée, caractérisé en ce qu'il permet une position sous marine stable de travail ainsi qu'une 20 autonomie d'action et donc un relais d'ouvrage entre les fonds marins et les bâtiments de surface sans intervention humaine continue. En particulier, il est apte à accomplir une tâche en continu quelles que soient les conditions météorologiques. Il représente un compromis entre les plate formes classiques de surface 25 pour le forage en mer et le principe du submersible, et peut être équipé, sur plusieurs niveaux de ponts, de différents systèmes et outils selon les travaux à effectuer. Le dispositif selon l'invention comporte deux catégories d'équipements: les équipements propres à la station - les équipements opérationnels interchangeables à chaque opération et conçus pour répondre à des missions très différentes. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés. 35 1 Structure et équipements propres Le dispositif est constitué d'une structure métallique (S) dimensionnée en fonction des charges prises en compte et les surfaces requises selon la version retenue, de manière à assurer la rigidité de l'ensemble. Cette structure comporte plusieurs niveaux horizontaux ou ponts (P1, P2, P3,P4) configurés selon les équipements opérationnels prévus. Ces ponts, conçus pour évoluer dans l'élément liquide, sont composés de treillis métalliques pouvant supporter des charges 10 importantes et assemblés sur poutrelles transversales. ls sont modulables. Le pont inférieur (P1) est équipé de moyens de propulsion (Ml, M2, M3, M4) , de systèmes d'ancrage éventuels, d' instruments de mesures et d'analyses choisis selon la mission, d' outils techniques propres aux tâches prévues, tel que matériels de vidéo, unité de carottage 15 et de prélèvements, instruments d'exploration sonar ou magnétique, d'éclairage, la liste n'étant pas exhaustive. Le pont intermédiaire (P2) supporte quatre ballasts (A1, A2, A3, A4) positionnes aux quatre angles et dont la capacité est calculée pour compenser d'importantes variations de 20 charges, selon les travaux effectués. Deux compartiments étanches renferment leurs équipements annexes (pompes, compresseurs...). Gérés simultanément par ordinateur, ils gardent l'assiette de la station et rectifient la position verticale selon toute variation non programmee. 25 Le pont intermediaire (P2) supporte par ailleurs deux bancs de batteries (B1, B2) en compartiments étanches, permettant l'autonomie de la station. Le pont supérieur (P3) comporte le poste de contrôle-commandes (K) relié à tous les ponts 30 et à leurs équipements, ainsi qu'à une bouée de surface (Y) par câble. Ce pont, de planchers modulables en fonction des utilisations, comporte une zone sécurisée ( P4) destinée aux plongeurs ayant accès au poste de contrôle-commandes (K). Les structures porteuses longitudinales de la station comportent, fixées sur la face 35 extérieure, des caissons métalliques de grand volume (C) et solidaires de ladite structure. Ces caissons sont calculés pour permettre à la station, dans toutes ses configurations prévues, d'atteindre une masse volumique sensiblement égale à celle de l'eau (égale à 1). Lors de chaque nouvelle opération en mer et selon les équipements installés sur la station, 1 des compartiments spécifiques (C') de ces caissons seront plus ou moins lestés afin de garder à l'ensemble constitué une flottabilité neutre. Flottabilité Le dispositif, dont la structure est initialement calculée pour une masse volumique égale à celle de l'élément liquide dans lequel il évolue, impose des variations de masse, soit en fonction de ses équipements, soit en fonction des travaux effectués. Pour atteindre la masse volumique exacte, deux systèmes sont cumulés: 10 la flottabilité est réglée à la mise en eau, selon l'équipement installé, par le remplissage de compartiments (C'), appelés " lests primaires " prévus à cet effet et situés dans les caissons de la structure. La station obtient sa flottabilité neutre. - parvenue à la profondeur voulue, la station maintient automatiquement position et assiette grâce aux quatre ballasts (A), dont les charges sont équilibrées automatiquement par pompes et compresseurs en deux installations étanches (E)) et gérées depuis le poste de contrôle embarqué (K). Ils fonctionnent, assistés par ordinateur, de la même manière qu'à bord d'un submersible classique et entrent en action en fonction des contraintes, tels que les courants marins et les répartitions de charges. Leur capacité doit être calculée en fonction des variations de masses induites par les tâches projetées. Motorisation Le dispositif est équipé de moyens de propulsion (Ml, M2, M3, M4) limités en capacité aux manoeuvres de positionnement Tracté ou transporté sur le lieu de son intervention, il n'est pas conçu pour une navigation propre, mais uniquement comme une usine capable de modifier sa position. Quatre hydropropuiseurs au moins ou autres types de propulseurs sous marins alimentés par énergie électrique, orientables (ou fixes et équipés de tuyères orientables), sont 35 disposés sur le pont inférieur (Pi) de manière à permettre toutes manoeuvres horizontales et verticales L'ensemble, alimenté par batterie, est relié au poste de contrôlecommandes (K) et est géré par assistance informatique appliquant les données de positionnement pré 1 établies (coordonnées X et Y), après comparaison aux données transmises avant et en cours d'opération par relevés GPS. Energie Le dispositif obtient son autonomie énergétique grâce à deux séries de batteries (31, B2) logées sur le pont intermédiaire (P2) et protégées par un compartiment et des connections étanches. Ces batteries peuvent être remplacées depuis la surface, de manière à ne pas devoir interrompre la station durant une tâche prolongée. Dans ce but deux bancs distincts sont prévus, dont un seul est en fonctionnement. En cas d'épuisement du premier, le poste de contrôle-commandes (K) permet de passer sur le second banc, et laisse ainsi la possibilité 15 de remplacer ou recharger le premier. Le basculement d'un banc à l'autre se fait automatiquement et déclenche un signal d'alarme lumineux sur le poste de contrôle embarqué (K), lumineux, sonore et radio depuis la bouée (Y). Contrôle-commandes Le dispositif est équipé d'une console (K) comprenant un écran et un pupitre étanche permettant de gérer manuellement toutes les fonctions de la station par un plongeur. 25 Ces fonctions sont exactement reproduites à bord d'une bouée de surface (Y), reliée au poste de contrôle (K) de la station par un câble. Ce câble est muni d'un système de tension capable de compenser des différences importantes de niveau provoquées par la houle. Il se compose d'une longueur redondante en forme de boucles fixée sur un axe extensible. 30 Ces deux postes permettent d'intervenir sur tous les paramètres de la station, de ses équipements et de l'action en cours, de contrôler l'état de ses moyens, de modifier sa programmation, et ce depuis la surface comme sur la station elle-même. Selon l'état de la technique, il peut être envisagé d'effectuer ces opérations par transmissions immatérielles. 1 Deux champs d'applications sont concernés: - Les paramètres concernant la gestion de la station proprement dite, c'est a dire son positionnement par les éléments de propulsion et par le système des ballasts, ainsi que 5 son système GPS de repérage, son autonomie énergétique et le système de contrôle de sécurité et d'étanchéité. - les paramètres propres à l'installation opérationnelle embarquée, dont deux versions sont évoquées dans les domaines de la récupération d'hydrocarbures et de fouilles 10 sous marines. Ces paramètres concernent la gestion des outils mis en oeuvre, tel que le remplissage de cuves de stockage, le fonctionnement des pompes et électrovannes, le contrôle de verrouillage des pipes, le traitement chimique des hydrocarbures, les moyens 15 d'éclairage et de traitement de l'image, la tension de câbles supportant des outils en plongée, la gestion de la nacelle et de ses équipements propres. Cette liste n'étant pas exhaustive. Liaisons de surface Les communications avec la surface se font par l'intermédiaire soit de plongeurs sur le poste de contrôle-commande embarqué (K), soit en surface par la bouée technique (Y) conçue comme poste de double commande. Un système radio de commandes à distance peut aussi être installé pour fonctionner avec un navire de surface, soit par réception depuis la bouée, soit en transmission directe avec la station. Un système de déclenchement automatique d'alarme radio émis par la bouée technique (Y) concerne les postes de sécurité, tel que l'état des batteries, des données limites de 30 position, le blocage d'un processus en cours. Positionnement Un relevé GPS est effectué automatiquement de manière régulière depuis le poste de contrôle-commande (K), permettant de corriger la position de la station si les coordonnées diffèrent de celles pré établies, et ce, quelles que soient les conditions météorologiques. La 1 station est conçue pour maintenir une position stable paramétrée sur le poste contrôlecommande (K). Liaisons avec les fonds marins Les liaisons avec les fonds marins concernent les tâches entreprises, hormis d'éventuels ancrages, et se font par l'intermédiaire d'outils embarqués, tel que la nacelle ou la colonne souple de récupération. En outre, selon les missions, le pont inférieur (Pi) ou la nacelle (N) peuvent être équipés de 10 tous les instruments de mesure et d'exploration jugés nécessaires. Ancrages Les ancrages, lorsqu'ils sont jugés nécessaires, se font par l'intermédiaire des outils travaillant sur les fonds marins. Ceux-ci peuvent être reliés à des câbles guides entre deux ancres larguées depuis des bâtiments de surface. La station, de par son équipement, se maintient par ses propres moyens sur un positionnement programmé. 20 Les équipements opérationnels Le dispositif selon l'invention dispose en plusieurs niveaux de larges surfaces porteuses (ou 25 ponts). Ces surfaces sont dimensionnées en fonction des besoins pour l'installation des équipements propres à la station, décrits précédemment et des équipements dits " opérationnels " nécessaires aux travaux entrepris. Ces équipements opérationnels sont: J) Equipement opérationnel destiné à la collece d'hydrocarbures échappés dune épave coulée par grands fonds. Le dispositif selon l'invention est équipé d'un module de traitement d'hydrocarbures (H) capable de travailler en immersion. 1 Il faut distinguer deux méthodes de récuperation, et ainsi deux modules distincts: La récupération (Rl) par pompage au moyen de pompes (Q) installées soit sur le pont inférieur (P1l), en cas de récuperation vers les profondeurs, soit sur le pont supérieur (P3) 5 en cas de récupération en surface, et atteignant la source au moyen de tous pipes souples ou autres conduits. Cette configuration consiste à raccorder, directement ou par l'intermédiaire du module de traitement (H), le pompage (Q) à l'installation de stockage (U) de la station. La récupération (R2) par remontée spontanée depuis la source. Cette configuration consiste à canaliser les hydrocarbures via une colonne ou riser souple, raccordé au module de traitement (H). Cette méthode de récupération nécessite trois phases matérialisées par trois dispositifs 15 rassemblés au sein d'une même cuve (H). - le séparateur eau / hydrocarbures (Z) occupant la base du module de traitement d'hydrocarbures (H) située sur le pont intermédiaire (P2) communicant avec l'installation de récupération, et compartimenté de manière qu'au fur et à mesure que le niveau 20 d'hydrocarbures récupéres augmente, l'eau de mer est évacuée par le bas au moyen de vannes (Z1, Z2) munies de clapets anti-retour et asservies à un contrôle de niveau bas (Z3) des hydrocarbures déclenchant l'arrêt de ces vannes. Sauf arrêt, elles fonctionnent en continu, contribuant ainsi à la dynamique de remontée des hydrocarbures. - le traitement chimique des hydrocarbures, effectuée dans la partie supérieure (h) du module (H), peut entre autres, consister en une opération de liquéfaction par injection d'éthers de colzas, afin de faciliter le pompage en amont et, en aval, le stockage au niveau de la station. - Le pompage est effectué par une pompe (Q) installée dans le dernier compartiment haut du module de traitement d'hydrocarbures (H), qui envoie par pipes les hydrocarbures liquéfiés vers une ou plusieurs cuves de stockage (U). Cette pompe (Q) est munie d'un système d'arrêt mesurant, suivant réglage préalable, la viscosité ou la densité du produit pompé, de manière à interdire le pompage d'eau. 35 Le stockage se fait dans une ou plusieurs cuves (U), situées sur le pont supérieur (P3). 1 La structure de la station est prévue pour laisser libre depuis le haut tout l'espace de manoeuvre au-dessus de la zone de stockage. Selon les quantités envisagées, la nature des produits, les impératifs techniques, la 5 capacité des ballasts, une seule ou plusieurs cuves pourront être installées, raccordées à la pompe du module de traitement (H) par des pipes munis d'électrovannes. Les cuves de stockage (U) sont équipées de systèmes de contrôle de remplissage. Les électrovannes, les dispositifs de contrôle de remplissage, les systèmes d'ouverture et d'obturation des clapets cuve / pipe, les pompes (Q) sont asservies au poste de contrle (K) embarqué de la station sous marine, qui en assure la gestion par son système informatique centralisé. La capacité de stockage sous marin est conçue pour permettre une récupération ultérieure par pompage depuis la surface lorsque la météorologie le permet et de façon plus rapide que le temps néoessaire à la récupération proprement dite, effectuée en profondeur ou en surface par la station. Cette opération de récupération finale est effectuée selon les circonstances soit par la remontée de la station à la surface, soit par un pompage depuis un navire de surface, sans que la station ne cesse de travailler. Pour cela, elle est équipée: - d'un accès de pompage (Wl) sur la partie haute du module de traitement (H), - d'un accès de pompage (W2) sur la ou les cuves de stockage (U), Ces accès sont munis de clapets conçus pour être ouverts après raccordement des pipes, eux-mêmes équipés de ce clapet, afin d'éviter les fuites en mer, d'un côté comme de l'autre. Le dispositif est équipé sur le pont inférieur (Pi) d'un système (L) de tension de câbles capable de travailler en immersion, conçu pour supporter les différents systèmes de récupération en grandes profondeurs. Ce système consiste en un ou plusieurs treuils enrouleurs dont la motorisation alimentée 35 par les batteries de la station, se trouve logée sur chaque axe d'enroulement, en compartiment étanche à l'intérieur de chaque enrouleur. La partie rotative de ce moteur entraîne l'enrouleur, la partie fixe étant solidaire de l'axe. 1 Il) Equipement opérationnel destiné à rexploration, 'étude et l'exploitation des fonds matins par nacelle. Le dispositif selon l'invention est destiné à permettre, depuis la station sous marine 5 stabilisée à quelques dizaines de mètres sous la surface, l'intervention en grandes profondeurs d'outils et d'instruments contrôlées depuis le poste de contrôle accessible aux plongeurs sur ladite station. Le dispositif, installé sur le pont inférieur (Pi) de la station est constitué d'une plate forme 10 dénommée " nacelle " (N). Son plancher, en treillis métallique, est doublé pour loger dans l'espace ainsi protégé (Ni), ou " plateau technique ", tous les instruments de mesure et d'exploration, d'éclairage, de traitement d'images et d'analyse. Sur la partie supérieure du double plancher de la nacelle plus particulièrement destinée aux travaux, sont installés les outils, tel qu'un bras articulé (N2) un banc de batteries (N3) pour l'autonomie énergétique de la nacelle, une installation d'aspiration ou tout autre équipement selon les besoins. Le dispositif selon l'invention, comporte sur le pont intermédiaire (P2) de la station, situés de part et d'autre de la nacelle, quatre treuils (N4) enrouleurs de câbles. La motorisation de ces treuils placée sur l'axe enrouleur en caisson étanche, est alimentée par les batteries de la station. Ces treuils sont destinés à faire descendre et remonter la nacelle et sont gérés par un calculateur d'assiette et de tension installé sur la station. 25 Le dispositif selon l'invention comporte un câble de liaison station-nacelle (N5), servant à piloter les équipements de la nacelle et à collecter les informations de ses instruments. Un treuil motorisé (N5), situé sur le pont intermédiaire (P2) de la station, synchronisé aux 30 treuils de suspension de ladite nacelle, déploie ce câble de transmission de données bidirectionnelles " nacellestation ". Cette liaison a pour but de contrôler l'ensemble des paramètres de ladite nacelle ainsi que les opérations qu'elle effectue. Le bras articulé (N2), selon l'invention est conçu pour être équipé, selon les besoins, par un 35 godet ou une pince préhensile, un instrument de carottage ou de forage. Comme tous les équipements de la nacelle, il est alimenté en énergie électrique par les batteries de la nacelle et contrôlé depuis le poste de contrôle embarqué de la station. - 1 Conçue pour descendre sous la station en très grandes profondeurs, la nacelle et toutes ses installations sont calculées pour résister à de fortes pressions. Le dispositif, selon l'invention peut aussi servir de " benne-monte charge " sous manne à un engin de plongée n'ayant aucune capacité de stockage. La présente invention concerne différents domaines d'application: Domaine industriel - Exploitation des richesses sous marines 10 - Forages, carottages - Interventions sur épaves, forages. Domaine scientifique - Analyses géologiques sous marines 15 - Etudes faune, flore, courants - Archéologie sous marine - Exploration sub-glacière des pâles. Les dessins annexés illustrent l'invention: 20 - La figure 1 montre une vue longitudinale de la station sans équipements opérationnels. - La figure 2 montre une vue en plan de la station sans équipements opérationnels. - La figure 3 montre une vue latérale de la station sans équipements opérationnels. - La figure 4 montre une vue longitudinale de la station équipée du module de traitement des hydrocarbures - La figure 5 montre une vue en plan de la station équipée du module de traitement des hydrocarbures - La figure 6 montre une vue latérale de la station équipée du module de traitement 30 des hydrocarbures - La figure 7 montre une vue longitudinale de la station équipée du module dit " nacelle " - La figure 8 montre une vue en plan de la station équipée du module dit " nacelle " - La figure 9 montre une vue latérale de la station équipée du module dit " nacelle " - La figure 10 montre une vue en coupe verticale du module de traitement des hydrocarbures - La figure 1 1 montre une vue latérale de la nacelle - La figure 12 montre une vue du principe de tension de câbles de la colonne souple - 11 1 Les dessins, plans, élévations et coupes donnent des dimensions et des méthodes de construction de principe de la station sous marine autonome sans équipements spécifiques de travail, et avec différentes versions d'équipements spécifiques de travail. Selon les besoins, la station peut être construite dans des configurations différentes et des dimensions autres. 1 REVENDICATIONS 1) Station sous marine autonome, Caractérisée en ce qu'elle travaille en totale immersion à la profondeur voulue tout en se 5 maintenant en position stable, horizontalement et verticalement, par gestion informatique, automatismes, et autonomie énergétique, et qu'elle est équipée sur plusieurs ponts de tous les outils sous marins nécessaires à ses missions. 2) Station selon la revendication 1 Caractérisée en ce qu'elle utilise simultanément les principes suivants: - une structure en partie creuse lui conférant une masse volumique générale égale à l'élément liquide dans lequel elle évolue, - des ballasts comme moyen stabilisateur d'assiette et compensateur de variation de charge, - des propulseurs sous marins directionnels alimentés par batteries, - des compartiments étanches pour tous les équipements le nécessitant, - des équipements opérationnels interchangeables. 3) Station selon les revendications précédentes Caractérisée en ce que quatre ballasts gérés en temps réel par informatique embarquée sont simultanément utilisés pour automatiquement compenser les variations de charges et stabiliser l'assiette de la station. 4) Station selon la revendication 1 Caractérisée en ce qu'elle comporte, destiné aux plongeurs, un poste de commandes sous marin (K) gérant tous les paramètres de la station et ses outils automatisés. 5) Station selon la revendication 1 Caractérisée en ce qu'elle comporte un poste de double-commandes sous forme de bouée 30 technique (Y), reliée par câble à la station, et permettant une totale gestion en surface de ses paramètres et de ses actions. 6) Station selon la revendication 1 Caractérisée en ce que son aménagement est modulable et particulièrement ses ponts dont 35 les surfaces peuvent être porteuses ou libre de planchers - 13 1 7) Station selon les revendications 1 et 2 Caractérisée en ce que certains caissons (C) de la structure comportent des compartiments servant à l'ajustement de la masse volumique globale, uniquement au lancement d'une opération, par remplissage ou évacuation d'eau de lestage. Ce dispositif permet de disposer d'une grande souplesse d'équipement de la station. 8) Station selon les revendications 1 et 2 Caractérisée en ce que cette unité sous marine non habitable est capable de maintenir et modifier sa position en fonction des données GPS régulièrement relevées et de la position 10 pré établie, et ce, grâce à des équipements autonomes et automatisés. 9) Station selon les revendications 1 et 6 Caractérisée en ce qu'elle est dotée d'équipements opérationnels, tel qu'une unité de récupération et de traitement d'hydrocarbures, une nacelle ou tout autre équipement 1 5 adaptable. 10) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce que le module opérationnel de récupération d'hydrocarbures peut fonctionner soit par pompage, soit par captage de remontées spontanées d'émanations 20 gazeuses, liquides, visqueuses ou solides. 11) Station selon les revendications précédentes Caractérisée en ce qu'un dispositif motorisé de tension de câbles, assisté par informatique, lui permet d'envoyer par grands fonds des équipements tel qu'une nacelle ou d'autres 25 moyens de récupération. 12) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce que le module opérationnel de traitement d'hydrocarbures comporte, dans son dispositif par captage de remontée spontanée, un séparateur permettant de 30 maîtriser ce captage et par suite les phases successives du procédé, une chambre de traitement chimique, une chambre de pompage et une zone automatisée de stockage. 13) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce qu'un dispositif de pompage direct accessible depuis des bâtiments de 35 surface est aménagé sur la partie haute de la chambre de pompage du module de traitement des hydrocarbures (H). 1 14) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce qu'un dispositif de pompage direct accessible depuis des bâtiments de surface est aménage sur la ou les cuves de stockage (U) des hydrocarbures. 15) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce qu'un système de contrôle du remplissage relié au poste de contrôle (K) et déclenchant des alertes est aménagé dans la ou les cuves de stockage (U) des hydrocarbures permettant de planifier les interventions de surface. 16) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce que les accès de pompage direct situés sur la (les) cuve(s) de stockage (U) et sur la partie haute du module de traitement des hydrocarbures sont conçus pour que l'ouverture et l'obturation ne puissent se faire qu'une fois effectué le raccordement du pipe de pompage, lui-même équipé du même système, évitant toute fuite polluante en mer. 15 17) Station selon les revendications 1 et 9 Caractérisée en ce qu'un module operationnel conçu comme une plate forme suspendue à des câbles depuis le pont inférieur (PI) et dénommé " nacelle " (N) permet à la station de rester a des profondeurs modérées et à portée des plongeurs, tout en travaillant par grands 20 fonds par l'intermédiaire de ladite nacelle. 18) Station selon les revendications 1 et 17 Caractérisée en ce que la nacelle (N) comporte un plateau technique (N1) embarquant un banc de batteries autonomes (N3) et tous les équipements et instruments utiles à ses 25 missions. 19) Station selon les revendications 1 et 17 Caracteérisée en ce que la nacelle comporte un robot configure en forme de bras articulé (N2) piloté depuis la station, capable d'utiliser des outils interchangeables de fouille, de 30 carottage et de forage, de pinces préhensiles, et autres instruments utiles à ses missions. 20) Station selon les revendications 1 et 17 Caractérisée en ce que la nacelle (N) comporte une surface conçue pour servir de " benne / monte-charge " pour d'autres robots sous marins. 35 21) Station selon les revendications 1 et 17 Caractérisée en ce que la nacelle (N), alimentant ses équipements automatisés par ses propres batteries (N3), et reliée en plongée par câble de transmission de données au poste 1 de contrôle de la station porteuse restee plus haut, est manipulable en très grandes profondeurs depuis ladite station. 15 20 25 30