Brevet FR2880910A1 — publié le 20060721

La présente invention est relative aux colonnes montantes de transport sous-marin de produits pétroliers. Un certain nombre de gisements en mer ("offshore") profonds présentent une pression de réservoir relativement faible qui, associée à la contrepression hydrostatique due à la grande profondeur d'eau, en réduit considérablement les quantités de produits pétroliers récupérables. De plus, ces pressions de réservoir déjà relativement faibles, chutent dans le temps au fur et à mesure de l'exploitation du gisement. Par conséquent, il est déjà connu d'apporter artificiellement une énergie complémentaire visant à activer la production de ces gisements de manière que les hydrocarbures puissent plus facilement être remontés depuis le réservoir situé sous le fond de la mer jusqu'à la surface. C'est ainsi que divers procédés sont actuellement mis en oeuvre dans l'industrie pétrolière pour obtenir cette activation. Par exemple, on peut injecter de l'eau ou du gaz à l'intérieur de puits spécifiques forés en périphérie des puits de production. On peut également exploiter la technique dite "de l'ascenseur" ("gas lift") consistant à utiliser du gaz mis sous pression en surface et insufflé à la base des puits de production pour entraîner les hydrocarbures. Il est encore possible d'installer des groupes de pompage submersibles descendus au fond des puits de production avec leur fourreau ("tubing") de refoulement et alimentés par de l'énergie hydraulique ou électrique. Tous ces procédés présentent leurs avantages et leurs inconvénients. Cependant, un inconvénient qu'ils ont en commun est lié au fait qu'un même réservoir sous-marin de pétrole en mer profonde est souvent exploité au moyen de plusieurs puits qui sont disséminés au fond de la mer en fonction de la géométrie du réservoir qui peut être importante et étendue, nécessitant par là même une duplication des moyens d'activation. A travers des canalisations sous-marines, les flux de production convergent ainsi depuis les puits sous-marins, vers l'extrémité inférieure d'au moins une colonne montante à travers laquelle ils sont remontés jusqu'à la structure flottante de production où les effluents sont traités. De ce fait, les moyens d'activation étant classiquement prévus dans les puits sous-marins, l'activation de tous ces puits nécessite des longueurs considérables de canalisations sous-marines d'eau et/ou de gaz et d'ombilicaux d'alimentation et de commande hydraulique et/ou électrique s'étendant entre les moyens d'activation et la surface de la mer. De tels procédés d'activation impliquent donc une dépense en matériel et un coût considérables nuisant d'autant à la rentabilité de la production. Par ailleurs, si on utilise des moyens de pompage pour activer la production, leur dispersion dans les puits de production en rend la maintenance difficile et donc coûteuse. La présente invention a pour but de fournir un dispositif centralisé de remontée de produits pétroliers dans lequel l'activation de ceux-ci est conçue de telle façon qu'il puisse être remédié, du moins dans une large mesure, aux inconvénients de la technique antérieure. Ce problème est résolu selon l'invention par un dispositif de remontée sous- marin de produits pétroliers depuis au moins un puits situé dans le sous-sol marin, vers une structure de production située à la surface de la mer, ce dispositif comprenant: - une colonne montante qui est ancrée verticalement dans le fond marin, qui est connectée audit puits par l'intermédiaire de canalisations sous-marines et dans laquelle est disposé au moins un tubage de remontée d'effluent connecté d'une part à un puits de production et d'autre part à ladite structure de production, et - des moyens d'activation destinés à assister la remontée dudit effluent, - ce dispositif étant caractérisé en ce que lesdits moyens d'activation sont disposés au pied et dans ladite colonne montante. Grâce à ces caractéristiques, les moyens d'activation peuvent être alimentés et commandés à partir de la structure de production par des câbles et/ou conduites dont la longueur s'étend au maximum jusqu'en bas de la colonne montante. De préférence, lesdits moyens d'activation sont prévus dans la partie inférieure de ladite colonne montante. Cette caractéristique permet avantageusement de limiter les quantités de volumes de gaz crées par les phénomènes de décompression de l'effluent de production lors de sa remontée vers la structure de production. Suivant une autre caractéristique intéressante de l'invention, lesdits moyens d'activation sont montés à l'extrémité inférieure d'un fourreau disposé coaxialement dans ledit tubage de remontée de manière à aspirer ledit effluent dans celui-ci et à le refouler dans ledit fourreau vers ladite structure de production à travers un conduit reliant la colonne montante à cette dernière. Avantageusement, lesdits moyens d'activation sont formés d'un groupe de pompage comprenant une pompe prévue à l'extrémité inférieure dudit fourreau en aspirant l'effluent dans ledit tubage à travers un manchon perforé situé dans le prolongement de l'extrémité inférieure de ladite pompe, un moteur d'entraînement de la pompe étant fixée audit manchon dans le prolongement dudit fourreau. Le moteur d'entraînement peut être de type électrique ou hydraulique et alimenté et commandé par l'intermédiaire d'un ombilical de service courant vers le haut dans ledit tubage, parallèlement audit fourreau et mené à ladite structure de production en s'étendant le long dudit conduit. Avantageusement, ledit tubage est un tubage auxiliaire et il est prévu un tubage principal pour la remontée directe de l'effluent, ledit tubage principal s'étendant dans ladite colonne montante parallèlement au tubage auxiliaire et étant branché directement sur lesdites canalisations sousmarines, tandis que ledit tubage auxiliaire, pourvu desdits moyens de pompage pour la remontée activée de l'effluent, est connecté audit tubage principal en bas de ladite colonne montante, de préférence à travers une vanne d'isolation. Plusieurs tubages principaux situés dans ladite colonne montante peuvent chacun être associés à un tubage auxiliaire et les tubages peuvent être reliés ensemble à l'aide d'un collecteur situé en dessous de la colonne montante, des vannes d'isolation prévus de préférence dans ledit collecteur permettant un branchement sélectif des tubages les uns aux autres. Un séparateur de gaz peut être disposé dans ladite colonne montante et branché directement sur lesdites canalisations sous-marines, ledit tubage pourvu de ses moyens de pompage étant branché sur ledit séparateur pour la remontée activée de l'effluent, le séparateur étant connecté à une canalisation d'évacuation des gaz courant dans ladite colonne montante parallèlement audit tubage. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation latérale d'un dispositif selon l'invention de remontée de produits pétroliers depuis le fond marin jusqu'à la surface de l'eau; -la figure 2 est une vue en élévation latérale, à une échelle agrandie par rapport à la figure 1, de la partie inférieure du dispositif de remontée selon l'invention; - les figures 3a et 3b sont des vues en élévation latérale à une échelle encore plus grande, de deux détails du dispositif de remontée; et - les figures 4 à 6 montrent par des vues en élévation latérale de la partie inférieure de la colonne montante, trois variantes de réalisation de l'invention. Sur la vue d'ensemble du dispositif de remontée représentée sur la figure 1, on aperçoit une colonne montante 1 de forme générale tubulaire d'axe AA dans laquelle passe concentriquement une structure centrale 2, l'ensemble étant orienté verticalement. Pour fixer les idées, la longueur de la colonne 1 peut atteindre plusieurs centaines de mètres. La structure centrale 2 se termine près du fond marin F par une rotule 3 par laquelle elle est connectée à une ancre 4 qui peut être de type à succion (comme représenté) ou à poids. A son extrémité supérieure, la colonne montante 1 se termine par un flotteur 5 se trouvant à proximité de la surface de la mer SM. Une canalisation 6 de transport de produit pétrolier provenant d'un puits d'extraction (non représenté) se trouvant dans le sous-sol marin court sur le fond F vers une luge ou traîneau ("sied") 7, d'où une canalisation intermédiaire ou manchette 8 ("spool") mène à un tubage de remontée ("riser") 9 qui court tout le long de la colonne montante 1. Ce tubage 9 est raccordé au-dessus du flotteur 5 à un conduit flexible 10:s'étendant en chaînette entre ce dernier et une structure flottante de production 11 où est traité l'effluent de la production. Le sens d'écoulement de l'effluent est symbolisé par des flèches e. Bien entendu, la colonne montante 1 peut contenir un faisceau de tubages de remontée identiques au tubage 9, tous connectés à des manchettes telles que 8 par l'intermédiaire de traîneaux (celui 7 représenté ou éventuellement d'autres traîneaux non représentés) pour assurer la remontée de produits pétroliers provenant d'une pluralité de puits de production répartis sur le fond marin F. On se référera au brevet français n FR 2 768 457 pour plus de détails concernant la structure générale du dispositif de remontée, son ancrage dans le fond marin, la structure du flotteur 5, la connexion de la colonne montante aux puits de production, etc. Selon une caractéristique importante de l'invention, des moyens d'activation formés d'un groupe de pompage 12 de type submersible sont prévus à l'extrémité inférieure du tubage de remontée 9 afin d'activer la remontée des produits pétroliers dans la colonne montante 1. Cette caractéristique sera maintenant décrite en détail en se référant d'abord aux figures 2, 3a et 3b. La figure 2 représente la partie inférieure de la colonne montante 1, ainsi que son ancrage dans le sous-sol marin F. Sont également représentés le traîneau 7 et la manchette 8, celle-ci étant reliée au traîneau 7 et au tubage 9 par l'intermédiaire de connexions sous-marines respectives 13 et 14. On voit également que l'espace de la colonne montante 1 autour de la structure centrale 2 et des tubages 9 (un seul de ces tubages est représenté) est occupé par un matériau de flottabilité et d'isolation tel qu'une mousse 15. La figure 3a représente à grande échelle la partie inférieure du tubage de remontée 9, à savoir la partie entourée du cercle en pointillés B de la figure 2. On peut voir qu'un fourreau 16 est inséré coaxialement dans le tubage de remontée 9. Dans l'exemple représenté, ce fourreau s'étend sur pratiquement toute la longueur du tubage 9. Le groupe de pompage 12 est fixé à l'extrémité inférieure de ce fourreau près de l'extrémité inférieure de la colonne montante 1. Le groupe de pompage 12 comprend une pompe 17 dont l'aspiration est assurée à travers un manchon perforé 18 situé dans le prolongement de la pompe, entre celle-ci et un moteur d'entraînement 19, l'ensemble étant prévu dans le prolongement du fourreau 16. Le moteur 19 peut être du type électrique ou hydraulique. De tels groupes de pompage sont connus en soi et disponibles dans le commerce. Ils sont utilisés largement dans la production pétrolière, par exemple dans les puits de pétrole proprement dits comme décrit ci-dessus. Ils sont capables de fonctionner avec une grande fiabilité à grande profondeur d'eau en dépit des conditions sévères de fonctionnement présentes dans de tels puits. Ils sont donc parfaitement appropriés pour travailler dans le cadre de la présente invention, les conditions de fonctionnement dans ce cas étant moins contraignantes en raison du fait que grâce à l'invention, ils peuvent être mis en oeuvre à une profondeur moins importante. Le fourreau 16 est tenu à son extrémité supérieure dans le tubage de remontée 9 en traversant un joint d'étanchéité 20 (figure 3b). La pompe 17 aspire l'effluent dans la partie extrême inférieure du tubage de remontée 9 à partir de la manchette 8 et à travers le manchon perforé 18 en assistant ainsi l'écoulement de l'effluent. Le fourreau 16 délimite dans le tubage 9 un espace annulaire 21 qui peut être utilisé pour loger une gaine d'alimentation et de commande 22 dans laquelle courent des câbles électriques et/ou des tuyauteries hydrauliques nécessaires pour l'alimentation et la commande du moteur 19. Cette gaine 22 traverse le joint d'étanchéité 20 et est prolongée par un ombilical 23. Celui-ci court le long du conduit flexible 10 vers la structure flottante de production 11 et y est attaché de distance en distance (fixation en "piggy back"). Le conduit flexible 10 est connecté au tubage 16 par l'intermédiaire d'un raccord démontable en col de cygne ("gooseneck") 24. Le tubage de remontée 9 se termine en haut au-dessus du flotteur 5 et comprend de préférence un raccord 25 auquel peut être connectée une colonne montante d'intervention non représentée ("workover") . Ainsi, le groupe de pompage submersible 12 est accessible depuis un navire d'intervention possédant les outils de levage appropriés, soit pour son installation en mer, soit pour son enlèvement aux fins d'inspection, d'entretien et de remplacement éventuel. Dans certains cas, les caractéristiques de l'effluent de production peuvent nécessiter des opérations de raclage des canalisations sousmarines et du tubage de remontée. Cette opération de raclage n'est pas possible dans la configuration de l'invention représentée jusqu'ici en raison du fait que le groupe de pompage obstrue le libre passage des outils de raclage vers les canalisations situées en amont du tubage de remontée. Le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4 permet d'apporter une solution à ce problème. En effet, dans ce cas, la colonne montante 1 comprend au moins un agencement 26 composé d'un tubage de remontée principal 27 relié directement à la connexion 13 de la manchette 8 et d'un tubage additionnel 28 de remontée assistée dans lequel est installé le groupe de pompage 12. Ce tubage additionnel 28 est alors conçu de la même façon que le tubage 9 déjà décrit précédemment et il est raccordé au tubage principal 27 juste au-dessus de la connexion 13 par l'intermédiaire d'une vanne d'isolation 29. La vanne 29 pourra être pilotée soit clepuis la surface de l'eau à bord de la structure flottante 11, soit à partir du fond par l'intermédiaire d'un véhicule téléguidé ou robot sous-marin ("ROV"). Elle sera de préférence démontable afin de pouvoir être remplacée en cas de panne. Sur la figure 4, la colonne montante 1 est supposée ne comprendre qu'un seul agencement double 26 composé des tubages 27 et 28. La figure 5 représente le cas dans lequel la colonne montante 1 est pourvue de plusieurs agencements doubles 26 tel que celui de la figure 4. Dans ce cas, il est avantageux de raccorder entre eux les différents tubages à l'aide d'un collecteur 31, comme représenté ou, selon les besoins, de plusieurs collecteurs superposés pourvus de vannes d'isolation 32 permettant de séparer sélectivement les divers tubages en fonction des besoins de raclage ou d'entretien. Le ou les groupes de pompage 12 sont de préférence installés dans la partie extrême inférieure de la colonne montante 1, c'est à dire aussi bas que possible afin de limiter autant que possible les volumes de gaz crées par les phénomènes de décompression de l'effluent de production lors de sa remontée et de stabiliser ainsi son écoulement dans la colonne montante 1. Pour favoriser encore davantage la régularité de cet écoulement, il est utile, conformément à un autre mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 6, d'associer au tubage 9 pourvu de son groupe de pompage 12 un séparateur de gaz sous-marin 33 monté directement sur la colonne montante 12. Ce séparateur 33 est alors branché par son entrée 34 sur le raccord 13 à l'aide d'un tronçon de canalisation 35, une sortie latérale 36 pour l'effluent à remonter étant prévue dans sa partie inférieure et raccordée au tubage 9 au moyen d'un embout horizontal de raccordement 37. Une sortie 38 prévue à l'extrémité supérieure du séparateur 33 est reliée à une canalisation de gaz 39 conduite verticalement et isolée dans la mousse d'isolation de la colonne montante 1 pour l'évacuation des gaz séparés vers la structure de production 11. Le mode de réalisation de la figure 6 permet ainsi, avec le séparateur sous-marin 33 situé au pied de la colonne montante 1, d'améliorer la qualité de l'écoulement de l'effluent de production lors de la remontée le long de la colonne montante 1. Bien entendu, si celle-ci comporte plusieurs tubages 9, il peut y avoir plusieurs séparateurs. L'invention qui vient d'être décrite présente de multiples avantages. Tout d'abord, les groupes de pompage 12 utilisés pour activer la remontée de l'effluent sont d'un modèle connu et éprouvé, utilisé couramment dans l'industrie pétrolière et disponible actuellement chez les fabricants. Par ailleurs, les groupes de pompage 12 étant installés dans la colonne montante 1 au lieu de l'être dans les puits de production comme dans la technique antérieure, réduit considérablement la longueur des canalisations et ombilicaux nécessaires à leur fonctionnement. On réduit ainsi le coût de l'installation, tout en facilitant la maintenance des groupes de pompage. L'activation par les groupes de pompage 12 en bas de la colonne montante 1 permet aussi de stabiliser et d'améliorer la qualité de l'écoulement de l'effluent et donc d'éviter la création de "bouchons" dans les tubages de remontée. L'emplacement des groupes de pompage dans le bas de la colonne montante 1 peut également être mis à profit pour vidanger partiellement les canalisations sous-marines en cas d'arrêt prolongé de la production. En outre, les groupes de pompage 12 sont facilement accessibles par le haut de la colonne montante au-dessus du flotteur 6 (figure 1) à l'aide d'un navire d'intervention possédant les outils de levage appropriés et un tubage ("riser") d'intervention ("workover") de relativement faible longueur branché sur le raccord 25. Afin de réduire la durée et le coût des opérations d'installation, les groupes de pompage submersibles 12 sont installés de préférence au préalable à l'intérieur de la colonne montante 1 avant que celle-ci ne soit installée sur site. La colonne montante 1 ainsi pourvue d'un dispositif d'activation constitue un système centralisé de récupération assistée d'hydrocarbures qui peut être complètement préfabriqué à terre avant d'être ancré in situ et raccordé au fond aux canalisations sous-marines venant des têtes de puits et en surface à la structure de production par l'intermédiaire de conduits flexibles. 9 REVENDICATIONS 1. Dispositif de remontée de produits pétroliers à partir d'au moins un puits de production situé dans le sous-sol marin vers une structure de production (11) située à la surface de la mer (SM), ce dispositif comprenant - une colonne montante (1) qui est ancrée verticalement dans le fond marin (F), qui est connectée audit puits par l'intermédiaire de canalisations sous-marines (6, 8) et dans laquelle est disposé au moins un tubage (9) de remontée d'effluent connecté d'une part à un puits de production et d'autre part à ladite structure de production (11), et - des moyens d'activation destinés à assister la remontée dudit effluent, caractérisé en ce que lesdits moyens d'activation (12) sont disposés au pied et dans ladite colonne montante (1). 2. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'activation (12) sont prévus dans la partie inférieure de ladite colonne montante (1). 3. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 et 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'activation (12) sont montés à l'extrémité inférieure d'un fourreau (16) disposé coaxialement dans ledit tubage de remontée (9) de manière à aspirer ledit effluent dans celui-ci et à le refouler dans ledit fourreau (16) vers ladite structure de production (11) à travers un conduit (10) reliant la colonne montante (1) à cette dernière. 4. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'activation (12) sont formés d'un groupe de pompage comprenant une pompe (17) prévue à l'extrémité inférieure dudit fourreau (16) en aspirant l'effluent dans ledit tubage (9) à travers un manchon perforé (18) situé dans le prolongement de l'extrémité inférieure de ladite pompe (17), un moteur d'entraînement (19) de la pompe étant fixé audit manchon (18) dans le prolongement dudit fourreau (16). 5. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit moteur d'entraînement (19) est du type électrique ou hydraulique et alimenté et commandé par l'intermédiaire d'un ombilical de service conduit vers le haut dans ledit tubage (9) parallèlement audit fourreau (16) et mené à ladite structure de production (11) en s'étendant le long dudit conduit (10). 6. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit tubage est un tubage auxiliaire (28) et en ce qu'il est prévu un tubage principal (27) pour la remontée directe de l'effluent, ledit tubage principal (27) s'étendant dans ladite colonne montante (1) parallèlement audit (28) tubage auxiliaire et étant branché directement sur lesdites canalisations sous-marines (6, 8), ledit tubage auxiliaire (28), pourvu desdits moyens de pompage (12) pour la remontée activée de l'effluent, étant connecté audit tubage principal (27) en bas de ladite colonne montante (1), de préférence à travers une vanne d'isolation (29). 7. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs tubages principaux (27) sont associés chacun à un tubage auxilliaire (28) et les tubages sont reliés ensemble à l'aide d'au moins un collecteur (31) situé en dessous de la colonne montante (1), des vannes d'isolation (32) prévues de préférence dans ledit collecteur permettant un branchement sélectif des tubages (27, 28) les uns aux autres. 8. Dispositif de remontée de produits pétroliers selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un séparateur de gaz (33) est disposé dans ladite colonne montante (1) et branché directement sur lesdites canalisations sous-marines (6, 8), ledit tubage de remontée (9) pourvu de ses moyens de pompage (12) étant branché sur ledit séparateur (33) pour la remontée activée de l'effluent, le séparateur (33) étant connecté à une canalisation (39) d'évacuation des gaz courant dans ladite colonne montante (1) parallèlement audit tubage de remontée (9).