Brevet FR2881102A1 — publié le 20060728

SUPPORT FLOTTANT STABILISE La présente invention concerne un support flottant qui comprend un pont de travail supportant des installations reliées au fond marin, et des organes de flottaison supportant le pont de travail. Une telle plate- forme peut être, par exemple, une plate-forme d'exploitation pétrolière ou gazière. Un support flottant en mer a un mouvement vertical sous l'effet de la houle. Ce mouvement vertical, appelé communément mouvement de pilonnement, dépend de la houle et est particulièrement important car il conditionne le fonctionnement des installations qui sont à la fois supportées par le support flottant et reliées au fond marin. Ces installations peuvent être, par exemple, des tiges de forage ou des canalisations permettant le transport du pétrole ou du gaz. Quand le support flottant pilonne, ces installations ont un mouvement vertical relatif par rapport au support, et de ce fait, il est nécessaire d'équiper ces installations de systèmes de compensation télescopiques permettant à chaque instant de compenser le pilonnement du support flottant afin de permettre des interventions à la partie supérieure de ces installations. Ces systèmes de compensation sont très coûteux, d'autant plus que la compensation de mouvemement à réaliser est importante, et, de plus, ils ont des limites technologiques de compensation. Le mouvement de pilonnement est approximativement proportionnel à la hauteur de houle et il est conventionnellement caractérisé par le quotient du pilonnement par la hauteur de houle, ce quotient étant en première approximation un invariant en fonction de la hauteur de la houle. Le mouvement de pilonnement dépend également de la forme des organes de flottaison, l'action de la houle générant des pressions sur les parois de ces derniers dont l'effet cumulé sur l'ensemble des parois donne à chaque instant une force verticale excitatrice du mouvement. Le mouvement de pilonnement dépend aussi de la période de la houle étant donné que la répartition des pressions sur un organe de flottaison ayant une forme prédéterminée dépend de la période de la houle et de sa longueur d'onde (à cet effet, en profondeur d'eau élevée, la longueur d'onde de la houle (en mètre) correspond approximativement au carré de sa période (en seconde) multiplié par 1,56). Enfin, le pilonnement dépend également de l'incidence de la houle, c'est à dire l'orientation du support flottant par rapport à la direction de propagation de la houle. De ce fait, conventionnellement, le mouvement de pilonnement du support à son centre géométrique (en général le point de liaison avec les installations reliées au fond marin) est caractérisé par une fonction de transfert du pilonnement qui est la représentation de l'évolution du quotient pilonnement / hauteur de houle en fonction de la période de la houle. Afin de minimiser le mouvement de pilonnement, dans les plates-formes actuelles dites semi-submersibles, chaque organe de flottaison (typiquement formé par un flotteur immergé, la partie immergée d'une colonne supportée par le flotteur immergé et supportant le pont de travail, et la moitié de chacun des éléments de liaison immergés adjacents reliant l'ensemble colonne-flotteur aux autres ensembles colonne-flotteur) est conformé de sorte que le cumul des effets des pressions générées par la houle qu'il subit s'annule pour une période prédéterminée, conventionnellement appelée période d'équilibrage. La fonction de transfert du pilonnement d'une telle plate-forme a une valeur voisine de 0 pour des petites périodes, croit régulièrement pour atteindre un maximum relatif qui est environ égal à 0,5, redescend vers 0 pour la période d'équilibrage, et remonte rapidement et fortement ensuite. Ainsi, dans l'art antérieur, la limitation du mouvement de pilonnement est réalisée en configurant correctement chaque organe de flottaison du support flottant de sorte que la période d'équilibrage qui leur est associée soit supérieure aux périodes des houles usuellement rencontrées sur le site d'utilisation de la plate-forme. De ce fait, pour les houles usuelles sur le site, la fonction de transfert du pilonnement sera au plus égale à 0,5. Cependant, cette valeur de 0,5 est relativement importante et entraîne l'utilisation de systèmes de compensation relativement importants. De plus, la fonction de transfert du pilonnement est supérieure à 0,25 pour une plage importante des périodes de houle. La présente invention vise à réaliser un support flottant ayant une fonction de transfert du pilonnement particulièrement faible pour les houles usuelles. Selon l'invention, l'espacement entre les axes verticaux passant par le centre de volume des organes de flottaison est tel que, pour chaque direction de propagation de la houle, lorsque la période de la houle est égale, à 20% près, à la période de houle de tempête centennale associée à la direction de propagation considérée, la houle de tempête centennale étant la houle dont la probabilité annuelle d'être rencontrée sur le site où le support est destiné à être installé est de 1/100, la somme des moments, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le centre de gravité du support, des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison situés d'un côté du plan vertical passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison situés de l'autre côté de ce plan vertical. Ainsi, selon la présente invention, le support flottant est conformé de sorte que, pour chaque direction de propagation de la houle, la somme des moments pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le centre de gravité de la plate-forme, des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison situés d'un côté du plan vertical passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison situés de l'autre côté de ce plan vertical pour une houle de période prédéterminée, appelée ci-après période d'extinction. La fonction de transfert du pilonnement d'une telle plate-forme pour la direction de propagation de la houle considérée a donc une valeur voisine de 0 pour la période d'extinction. L'annulation du mouvement de pilonnement au centre de gravité pour la période d'extinction suivant la direction de propagation de la houle provient de ce que, avec un espacement prédéterminé entre les différents axes verticaux passant par le centre de volume des organes de flottaison, la somme des moments, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le centre de gravité du support, des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison situés d'un côté du plan vertical passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison situés de l'autre côté de ce plan vertical, bien que chacun des efforts sur chaque organe de flottaison pris séparément soit non nul. Le phénomène peut être aisément compris en imaginant un support flottant comprenant un pont de travail et deux organes de flottaison. Quand la houle a pour demi-longueur d'onde la distance séparant les deux axes verticaux passant par le centre de volume des organes de flottaison et a pour direction de propagation la direction d'alignement des deux axes, ces deux organes de flottaison sont soumis à des efforts verticaux en opposition de phase du fait de l'excitation de la houle (l'un se trouvant au droit d'une crête quand l'autre est au droit d'un creux, par exemple) et, en conséquence, le moment, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le point central du pont (situé à mi chemin des deux organes de flottaison), des forces verticales d'excitation de la houle sur l'un des deux organes de flottaison est égale au moment correspondant associé à l'autre organe de flottaison. La période de la houle correspondant à cette demi-longueur d'onde est la période d'extinction du support. De plus, quand la direction de propagation de la houle est perpendiculaire à la direction d'alignement des deux axes verticaux, il n'y a pas de période d'extinction pour cette direction de propagation. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, chaque organe de flottaison est dimensionné (de façon usuelle) de sorte que la somme des efforts d'excitation verticale qu'il supporte s'annule pour une houle dont la période est égale à 1,5 fois la période de la houle de tempête centennale. Ainsi, selon ce mode de réalisation, la période d'équilibrage est égale à 1,5 fois la période d'extinction. La fonction de transfert du pilonnement au centre de gravité d'une telle plate-forme est alors particulièrement remarquable: elle a une valeur voisine de 0 pour des petites périodes, croit régulièrement pour atteindre un premier maximum relatif qui est inférieur à 0,1 (environ égal à 0,075), redescend vers 0 pour la période d'extinction, croit à nouveau régulièrement pour atteindre un second maximum relatif qui est inférieur à 0,15 (environ égal à 0,125), redescend vers 0 pour la période d'équilibrage, et remonte rapidement et fortement ensuite. Avec une telle plate-forme, les systèmes de compensation utilisés peuvent avoir une amplitude de compensation réduite, la fonction de transfert du pilonnement étant au plus égale à 0,15 pour l'ensemble des houles rencontrées sur le site. D'autres particularités apparaîtront dans la description de la présente invention en liaison avec les dessins donnés à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 est un schéma en coupe illustrant le principe de la présente invention pour une structure flottante ayant quatre organes de flottaison, la coupe étant faite selon un plan vertical passant par le centre du pont, La figure 2 est un schéma illustrant la valeur de la fonction de transfert du pilonnement au centre de gravité pour une plate-forme conçue conformément à la présente invention, et celle pour une plate-forme semisubmersible classique, et La figure 3 représente la partie immergée d'une plate-forme comportant trois organes de flottaison. Le support flottant 1 (en l'occurrence la plate-forme 1 semi-submersible) illustré à la figure 1 comprend un pont de travail 2 et quatre organes de flottaison 3 supportant le pont 2. Des installations 4 (en l'occurrence des canalisations 4) qui sont reliées au fond marin sont supportées et reliées au pont 2, en son centre géométrique 5. Chaque organe de flottaison 3 est formé d'un flotteur immergé 6, la partie immergée d'une colonne 7 qui est supportée par le flotteur immergé 6 et qui supporte le pont de travail 2, et de la moitié de chaque élément de liaison immergé 11 reliant cet ensemble flotteur-colonne aux autres ensembles flotteurcolonne. Dans la représentation illustrée à la figure 1, les quatre organes de flottaison 3 sont disposés de sorte que les axes verticaux Z passant par le centre de leur volume respectif forment un carré et la distance L séparant les deux axes verticaux Z délimitant un même côté du carré est égale à la demi-longueur d'onde H d'une houle dont la direction de déplacement correspond à la direction d'alignement D de ces deux axes verticaux Z. De ce fait et du fait de la houle, les quatre organes de flottaison 3 sont, deux à deux, soumis à des efforts verticaux d'excitation en opposition de phase, et en conséquence, la somme des moments, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le centre de gravité du support (en général proche du centre géométrique 5 du pont 2), des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison 3 situés d'un côté du plan vertical P passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison 3 situés de l'autre côté de ce plan vertical P. La période de la houle correspondant à cette demi-longueur d'onde est la période d'extinction du support 1, lorsque la houle a pour direction de propagation la direction d'alignement D des deux axes Z. Le dimensionnement des plates-formes 1 conformément à la présente invention est réalisé de la façon suivante: Dans un premier temps il est nécessaire d'identifier, pour le site d'exploitation où la plate- forme 1 est destinée, pour chaque direction de propagation de houle, la période de la houle de tempête centennale qui est la houle dont la probabilité annuelle d'être rencontrée sur le site est de 1/100, la période de cette houle sera à 20% près la période d'extinction choisie pour la plate-forme 1 dans la direction de propagation considérée. Dans un deuxième temps, pour un support flottant 1 ayant une géométrie particulière (par exemple ayant trois organes de flottaison 3 disposés de sorte que leurs axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un triangle équilatéral comme illustré à la figure 3, ou ayant quatre organes de flottaison 3 disposés de sorte que leurs axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un carré comme celle représentée à la figure 1), on détermine l'espacement théorique entre les axes verticaux Z de sorte que la somme des moments, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation de la houle et passant par le centre géométrique 5 du pont 2 (en général proche du centre de gravité de la plate-forme 1), des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison 3 situés d'un côté du plan vertical P passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison 3 situés de l'autre côté de ce plan vertical P, pour la houle dont la période correspond à la période d'extinction. La détermination de cet espacement théorique est réalisée pour toute une gamme de directions de propagation de houle. Compte tenu des symétries envisageables, pour une plate-forme 1 ayant trois organes de flottaison 3 disposés en triangle équilatéral, la direction de propagation de la houle peut varier de 60 , et pour une plate-forme 1 ayant quatre organes de flottaison 3 disposées en carré, elle peut varier de 45 . Cette détermination pour différentes directions de propagation permet de choisir un espacement optimum vis-à-vis du comportement en pilonnement de la plate-forme 1 pour des houles de tempête centennale, qui définit la période d'extinction de la plate-forme 1 pour la direction de propagation concernée. Une tolérance de 20% sur la période d'extinction permet d'adapter la géométrie de la plate-forme sans trop détériorer son comportement en pilonnement. Dans le cas d'une plate-forme 1 ayant quatre organes de flottaison 3 disposés de sorte que les axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un carré, la période d'extinction, pour la direction de propagation de la houle parallèle à un côté du carré, est obtenue quand la longueur d'un côté du carré correspond à la demilongueur d'onde de la houle de tempête centennale. Dans le cas d'une plate-forme 1 ayant trois organes de flottaison 3 disposés de sorte que les axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un triangle équilatéral, la période d'extinction est obtenue quand la hauteur du triangle correspond à la demi-longueur d'onde de la houle de tempête centennale. Ainsi, pour une période d'extinction de 12 s, la longueur d'onde de la houle correspondante est de 224 m, la hauteur du triangle équilatéral formé par les trois axes verticaux Z est de 112 m, et l'espacement entre chaque axe vertical Z est de 130 m. Selon un mode de réalisation particulier, chaque organe de flottaison 3 est dimensionné (de façon usuelle) de sorte que la somme des efforts d'excitation verticale à laquelle il est soumis s'annule pour une houle dont la période est supérieure à la période d'extinction, c'est à dire chaque organe de flottaison 3 est dimensionné de sorte que la période d'équilibrage qui lui est associé soit supérieure à la période d'extinction. Il est particulièrement avantageux que la période de chaque organe de flottaison 3 soit égale à environ 1,5 fois la période d'extinction. Ainsi, pour une plate-forme 1 ayant une période d'extinction de 12 s, il est particulièrement avantageux que chaque organe de flottaison 3 soit dimensionné pour avoir une période d'équilibrage de 18 s. La figure 3 représente une plate-forme à trois organes de flottaison 3 disposés de sorte que les axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un triangle équilatéral, et ayant une période d'extinction de 12 s (la distance entre les axes verticaux Z est 'donc de 130 m). Chaque organe de flottaison 3 est configuré de façon à avoir une période d'équilibrage de 18 s, le flotteur immergé 6 ayant la forme d'un cylindre de 30 mètres de diamètre, et la colonne 7 ayant la forme d'un cylindre de 18 mètres de diamètre, le tirant d'eau sur site d'exploitation étant de 44 mètres. La masse de la plate-forme 1, y compris celle des installations de traitement de pétrole qu'elle supporte, est de 65 000 tonnes. La figure 2 est la représentation de la fonction de transfert du pilonnement de deux plate-formes ayant toutes les deux la même période d'équilibrage de 18 s et comportant trois organes de flottaison 3 disposés de sorte que les axes verticaux Z passant par leurs centres de volumes respectifs forment un triangle équilatéral. La première courbe FT1 correspond à une plate-forme usuelle dimensionnée classiquement et adaptée à des houles sévères de 12 s, les axes verticaux Z étant espacés les uns des autres d'environ 70 mètres: la fonction de transfert du pilonnement a une valeur voisine de 0 pour des petites périodes (inférieures à 6 s), croit régulièrement pour atteindre un maximum relatif qui est environ égal à 0,5 (pour une période d'environ 13 s), redescend vers 0 pour la période d'équilibrage (18 s), et remonte rapidement et fortement ensuite. La seconde courbe FT2 correspond à une plate forme dimensionnée conformément à la présente invention, l'espacement entre les axes verticaux Z étant de 130 m de façon à avoir une période d'extinction de 12 s: la fonction de transfert du pilonnement a une valeur voisine de 0 pour des petites périodes (inférieures à 6 s), croit régulièrement pour atteindre un premier maximum relatif qui est environ égal à 0,075 (pour une période d'environ 10 s), redescend vers 0 pour la période d'extinction (12 s), croit à nouveau régulièrement pour atteindre un second maximum relatif qui est environ égal à 0,125 (pour une période d'environ 15 s), redescend vers 0 pour la période d'équilibrage (18 s), et remonte rapidement et fortement ensuite. Le comportement en mer d'une plate-forme 1 conformément à la présente invention est particulièrement améliorée. Les plages de variation sur la valeur des périodes d'extinction et d'équilibrage permettent d'obtenir ce bon comportement, tout en autorisant une flexibilité pour la réalisation de la plate-forme vis-à- vis d'autres paramètres de dimensionnement. Vu les dimensions de telles plates-formes 1, comme on peut le voir à la figure 1, il est avantageux que le pont 2 et les organes de flottaison 3 soient rigidement liés entre eux par des structures annexes 8. De plus, il est préférable que seules les installations reliés au fond marin (les canalisations 4 ou les tiges de forage ainsi que les structures qui permettent leur guidage au voisinage du niveau de la mer) soit situées au centre géométrique 5 du pont 2, les installations connexes 9 pouvant être rassemblées au-dessus des colonnes 7 afin de limiter les efforts dans les structures du pont de travail 2. Par ailleurs, le pont de travail 2 peut comporter des volumes 10 pouvant être rendus étanches à l'eau, afin d'assurer la sécurité du support flottant 1 en cas d'avarie sur un organe de flottaison 3 entraînant son envahissement par l'eau de mer. En relation avec la présente invention qui permet de limiter le mouvement vertical du pont de travail 2 au niveau de sa liaison avec les installations 4 reliées au fond marin, il est également possible de limiter les contraintes mécaniques subies par ces installations au niveau de cette liaison dues aux mouvements de tangage, de roulis, d'embardée et de cavalement de la plate-forme 1. A cet effet, à la plate-forme 1 est associée une structure de guidage qui est adaptée à être supportée par la plate-forme et à guider, au voisinage du niveau de la mer, les installations 4 (par exemple les canalisations 4) reliées au fond marin. La structure de guidage comprend une cage qui s'étend dans une direction longitudinale (qui correspond sensiblement à la verticale quand la structure est reliée à la plate-forme) et un organe de liaison qui est adapté à coopérer avec un organe complémentaire de liaison porté par la plate-forme de façon à former une liaison à rotule entre celle-ci et la cage. De cette façon, quand la plate-forme est soumise à l'action de la houle, la liaison à rotule rend la structure de guidage moins sensible au mouvement d'ensemble de la plate-forme, ce qui réduit fortement les forces de contact entre les canalisations et la structure de guidage. De façon avantageuse, la structure de guidage peut supporter des systèmes de mise sous tension verticale des canalisations, des têtes de puits, un derrick... L'organe de liaison peut être disposé longitudinalement à une extrémité de la cage et, transversalement, soit au centre de la cage (l'organe est alors un pivot sphérique, soit à la périphérie de la cage (l'organe est alors une couronne sphérique). Selon un mode de réalisation particulier, la structure de guidage comprend également un élément formant lest qui est disposé à une partie de la cage longitudinalement éloignée de l'organe de liaison (l'élément formant lest est fixé à l'extrémité longitudinale de la cage opposée à celle où est disposée l'organe de liaison). Alors que les courants marins ont tendance à dévier la cage et les canalisations de la verticale du fait de la liaison à rotule entre la cage et le support flottant, l'élément formant lest tend à diminuer cette déviation et donc protège les canalisations de contraintes mécaniques consécutives à cette déviation. Un tel élément formant lest a un rapport masse sur volume immergé au moins égale au double (voire au triple) de celui de la cage. Selon un autre mode de réalisation particulier, de façon à réduire les efforts verticaux entre la cage et la plate-forme au niveau de la liaison à rotule, des flotteurs sont reliés à la partie supérieure de la cage, et plus précisément, au niveau de la cage qui est adapté à être à proximité de la surface de la mer. REVENDICATIONS 1. Support flottant (1) adapté à supporter des installations (4) qui sont adaptées à être reliées aux fond marin d'un site donné, le support flottant (1) comprenant un pont de travail (2) et des organes de flottaison (3) qui supportent le pont de travail (2), caractérisé en ce que l'espacement entre les axes verticaux (Z) passant par le centre de volume des organes de flottaison (3) est tel que, pour chaque direction de propagation de la houle, lorsque la période de la houle est égale, à 20% près, à la période de houle de tempête centennale associée à la direction de propagation considérée, la houle de tempête centennale étant la houle dont la probabilité annuelle d'être rencontrée sur le site où le support est destiné à être installé est de 1/100, la somme des moments, pris par rapport à l'axe horizontal perpendiculaire à la direction de propagation considérée et passant par le centre de gravité du support (1), des forces verticales d'excitation de la houle sur les organes de flottaison (3) situés d'un côté du plan vertical (P) passant par cet axe horizontal est égale à la somme correspondante associée aux organes de flottaison (3) situés de l'autre côté de ce plan vertical, cette période étant appelée période d'extinction selon la direction de propagation de la houle. 2. Support flottant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois organes de flottaison (3) disposés les uns par rapport aux autres de façon à ce que les axes verticaux (Z) passant par leurs centres de volumes respectifs forment un triangle équilatéral dont la hauteur correspond, à 20% près, à la demi-longueur d'onde de la houle de tempête centennale. 3. Support flottant (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre organes de flottaison (3) disposés les uns par rapport aux autres de façon à ce que les axes verticaux (Z) passant par leurs centres de volumes respectifs forment un carré dont la longueur des côtés correspond, à 20% près, à la demi-longueur d'onde de la houle de tempête centennale. 4. Support flottant (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque organe de flottaison (3) est dimensionné de sorte que la somme des efforts d'excitation verticale qu'il subit s'annule pour une houle dont la période est supérieure à la période d'extinction, cette période étant appelée période d'équilibrage. 5. Support flottant (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la période d'équilibrage est égale 1,5 fois la période d'extinction. 6. Support flottant (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le point de liaison (5) des installations (4) destinées à être reliées au fond marin est le centre de gravité du support (1). 7. Support flottant (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les installations (4) destinées à être reliées au fond marin sont associées à des installations connexes (9) disposées au-dessus des organes de flottaison (3). 8. Support flottant (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque organe de flottaison (3) est formé par un flotteur immergé (6), la partie immergée d'une colonne (7) supportée par le flotteur immergé (6) et supportant le pont de travail (2), et la moitié de chacun des éléments de liaison (11) immergés adjacents reliant cet ensemble colonne-flotteur immergé aux autres ensembles colonne-flotteurs.