Brevet FR2931188A1 — publié le 20091120

L'arrangement des installations pour l'exploitation des champs pétroliers sous marins par grands fonds comprend généralement des têtes de puits réparties sur le fond marin sur des distances déca kilométriques et un réseau de conduites posé sur le fond marin pour acheminer le pétrole brut des têtes de puits à une unité de traitement installée en surface sur un support flottant. Fréquemment le pétrole brut, à sa sortie des têtes de puits, contient des composés, comme les cires et les paraffines, qui figent à des températures bien au-dessus de la température des fonds marins. Pour assurer l'écoulement, il est primordial de maintenir le pétrole brut au-dessus de sa température de figeage. Bien entendu les conduites sont isolées mais, compte tenu des distances, les limites technico-économiques sont vites atteintes et des solutions complémentaires sont à envisager. C'est précisément le but du présent dispositif selon l'invention. Plusieurs familles de solutions ont déjà été plus ou moins expérimentées ou réalisées avec des succès relatifs et sans toutefois atteindre la solution universelle. Ces solutions ont toutes pour point commun un apport de calories entre la conduite et son enveloppe isolante. Une première famille de solutions, la plus développée, consiste à placer une résistance électrique entre la conduite et son isolant thermique. C'est une solution simple et attractive, malheureusement les réalisations restent fragiles en raison de l'eau de mer, des puissances mises en jeu et de la contradiction isolement électrique - perméabilité thermique. D'autre part, ces solutions ne permettent pas de sécuriser l'écoulement en cas d'arrêt prolongé de la production toujours à envisager. De nombreuses variantes existent, en particulier celles basées sur l'induction électromagnétique générée dans la conduite. Une autre famille de solutions consiste, en cas d'arrêt de la production, à substituer le pétrole brut dans la conduite par de l'huile dite � morte �, c'est-à-dire du pétrole dont on a enlevé les éléments figeants. Dans ce but, la conduite est dédoublée et un jeu de vannes permet de reconfigurer la double conduite en une boucle ouverte au niveau de l'unité de surface. Depuis cette dernière, l'huile � morte � est poussée dans l'une des branches et le pétrole brut est recueilli par l'autre. Des variantes combinent des conduites d'injection d'eau, destinées à la stimulation du champ, aux conduites de production pour éviter quelques dédoublements. Ces solutions ont l'avantage d'être radicales, mais elles sont coûteuses en investissement et lourdes en opération. De plus elles augmentent les temps d'arrêt et les pertes production. Une autre famille de solutions, rarement concrétisée, consiste à provoquer des réactions physico-35 chimiques exothermiques, entre la conduite et son isolant. Une quatrième famille consiste à introduire un fluide caloporteur au moyen, soit d'un ou plusieurs tubes insérés entre l'enveloppe isolante et la conduite, voire dans la conduite, soit d'un espace annulaire créé entre la conduite et son enveloppe isolante, ou encore par une combinaison des deux. Le dispositif selon l'invention se classe dans cette famille de solutions. En général, ces systèmes sont simples et économiques mais ils ne sont pas efficaces sur de grandes distances. En effet, le fluide caloporteur se refroidit très vite et seuls les tous premiers kilomètres de la conduite peuvent être protégés. Le but du dispositif selon l'invention est de repousser cette limite qui, dans certains cas, va jusqu'à compromettre le développement du champ pétrolier. Comme vu ci-dessus, le dispositif selon l'invention consiste à introduire, depuis l'unité de surface, un fluide caloporteur dans un tube de petit diamètre, dit tube de réchauffage, disposé entre la conduite et son isolant thermique. Le rôle du fluide caloporteur est d'apporter de la chaleur à la conduite de manière à la maintenir au dessus d'une température minimale et de compenser sa déperdition calorifique vers les fonds marins. De tels systèmes existent déjà, mais même en utilisant de l'eau, réputée pour sa chaleur massique exceptionnelle, le fluide caloporteur se refroidit très vite et perd ses capacités de réchauffage au bout de quelques kilomètres. Pour augmenter la chaleur emmagasinée dans le fluide caloporteur et protéger les conduites sur de plus grandes distances, l'idée est d'utiliser de l'eau pressurisée à une température légèrement inférieure à sa température d'ébullition à la pression de pressurisation. Cette technologie est bien connue dans les centrales nucléaires justement dites à eau pressurisée et peut être avantageusement transférée au présent domaine. En choisissant une pression d'environ 150 b et une température d'environ 330° C, l'énergie calorifique récupérable dans la conduite est 4 fois plus importante qu'en utilisant de l'eau à la pression atmosphérique. A ce jour, aucun opérateur pétrolier n'a envisagé de telles conditions car elles posent deux problèmes majeurs : la tenue des isolants thermiques à des températures au dessus de 120°C, notamment pour les polyuréthanes et la vaporisation de l'eau mer venant au contact des pièces chaudes au travers des isolants avec destruction immédiate de ces derniers. Le dispositif selon l'invention a pour but de résoudre ces deux difficultés. Pour protéger l'isolant de la conduite, dit isolant basse température BT car choisi pour sa faible conductivité et non pas pour sa tenue aux températures élevées, le tube de réchauffage est enveloppé d'un isolant, dit haute température HT car résistant à la température initiale du fluide caloporteur. L'épaisseur de l'isolant HT est déterminée pour que sa température de peau reste inférieure à la température limite de l'isolant basse température BT. Heureusement le tube de réchauffage est de petit diamètre et son isolation thermique, d'ailleurs relative et partielle, en est facilité. En conséquence, l'isolant haute température HT ne requiert pas le même niveau de performance, ni les mêmes volumes que l'isolant basse température BT. L'isolant HT sera donc, de conductivité moyenne mais avec une bonne résistance aux températures élevées et relativement plus cher pour de plus petites quantités. Pour éviter tout risque de vaporisation de l'eau de mer extérieure, l'isolant haute température HT du tube de réchauffage est recouvert d'une gaine parfaitement étanche à l'eau tant que la pression hydrostatique de l'eau de mer n'a pas atteint une valeur suffisante permettant d'éviter son ébullition à la température initiale du fluide caloporteur, c'est-à-dire tant qu'une profondeur minimale correspondante à cette pression n'a pas été atteinte. Ce premier tronçon de conduite qui plonge de l'unité de surface vers les fonds marins, est caractérisé par sa gaine d'étanchéité autour de son isolant HT. Dans la pratique il se prolonge jusqu'au fond à la verticale du support flottant. Typiquement à moins 1500 m, il règne une pression statique suffisante d'environ 150 b, ce qui d'ailleurs dédie le dispositif selon l'invention aux grandes profondeurs. Bien entendu, la gaine est mise à l'atmosphère en surface et une gorge de ventilation est aménagée dans l'isolant HT pour éviter tout risque de mise en pression positive de la gaine. Cette gaine devient inutile sur le tronçon suivant de la conduite car, pour des raisons d'écoulement du pétrole, la conduite descend globalement vers la tête de puits, même si le fond marin est plus ou moins horizontal. Sur ce second tronçon, la pression hydrostatique a tendance à augmenter et à rester au dessus de la pression d'ébullition de l'eau à la température du fluide caloporteur. Pour économiser l'énergie calorifique du fluide caloporteur et protéger la plus grande longueur possible de conduite, le flux thermique qu'il cède par unité de longueur, doit être juste suffisant en tout point de la conduite. Ainsi l'épaisseur de l'isolant haute température HT est calculée pour ne laisser passer qu'un flux thermique équivalent au flux dissipé par la conduite à sa température de figeage. Or ce flux est constant tout le long de la conduite car tous les paramètres le sont, que ce soit, la température de figeage, la température du fond de la mer, le diamètre de la conduite ou l'épaisseur de l'isolant BT. Par contre, la température du fluide caloporteur décroît tout le long du tube de réchauffage, au fur et à mesure qu'il compense la chaleur dissipée par la conduite. L'épaisseur de l'isolant haute température HT doit donc décroître en direction de la tête de puits selon une loi exponentielle pour maintenir le flux minimal constant: (1-x/1) log (Do/Di) D=Di. e Où D est le diamètre extérieur de l'isolant HT à la distance x le long de la conduite, 1 la longueur du tube de réchauffage, Di le diamètre extérieur du tube de réchauffage, Do le diamètre extérieur de l'isolant HT sur l'unité de surface. Dans la pratique l'épaisseur de l'isolant HT évolue par paliers jusqu'à une épaisseur nulle qui caractérise le 3eme tronçon de la conduite. Ce tronçon se prolonge sur toute la longueur où la température du fluide caloporteur n'est plus suffisante pour maintenir le flux thermique minimal. Mais dans cette zone, plus proche de la tête de puits, le pétrole brut est beaucoup plus chaud et les risques de figeage sont beaucoup plus faibles. La loi exponentielle donne une épaisseur d'isolant importante au départ. Cette dernière est souvent plafonnée pour des questions pratiques au détriment de l'optimum. Mais dans tous les cas, elle ne sera pas inférieure au minimum pour que la température de peau reste inférieure à la température limite de l'isolant basse température BT. L'isolant haute température HT sur le premier tronçon de conduite sera de préférence d'épaisseur constante telle qu'à la stabilisation des flux thermiques, la température limite de peau ne soit pas atteinte à la température initiale du fluide caloporteur. Différentes eaux sont envisageables comme fluide caloporteur. L'eau de mer est disponible en grande quantité, mais son usage est limité en raison, de son agressivité et de la présence de composés susceptibles de précipiter. Beaucoup mieux sera l'eau d'injection normalement destinée à stimuler la production des champs pétroliers. Cette eau est en général disponible en grande quantité sur l'unité de surface, elle est finement filtrée, désoxygénée et traitée pour éviter la corrosion des conduites. Les eaux de production, entraînées avec le pétrole brut puis séparées sur l'unité de surface, peuvent être utilisées sans toutefois être rejetées à la mer au bout du tube de réchauffage pour des raisons environnementales et après vérification de leur aptitude à ce service. Dans ce cas, il convient de recycler les eaux de production grâce à un système de vannes d'extrémité en bout du tube de réchauffage. Ce système permet, à volonté, de faire communiquer l'extrémité du tube de réchauffage soit avec la mer, soit avec la conduite. Bien entendu, ce système comprendra toutes 4 les vannes et équipements nécessaires à la sécurité d'une liaison avec la tête de puits. De même, la ou les vannes ouvrant sur la mer seront d.e préférence à passage total pour permettre l'expulsion d'éventuels racleurs lancés dans le tube de réchauffage. L'ensemble du tube de réchauffage, avec son isolant haute température HT et sa gaine d'étanchéité, est noyé dans l'enveloppe isolante basse température BT de la conduite, au plus près et au contact de cette dernière, pour faciliter le transfert de chaleur entre les deux tubes. Même si un peu d' isolant BT s' insère et gêne le transfert thermique, cette disposition évite la présence d'eau de mer libre et le développement de la vie marine. Le but premier est d'éviter une dégradation des caractéristiques thermiques du système dans le temps. Une vue théorique du système permet de mieux comprendre son fonctionnement et de le dimensionner au cas limite. L'isolant basse température BT est assimilé à une enveloppe isolante d'épaisseur constante qui limite le flux dissipé vers l'extérieur à une valeur constante quand l'intérieur est à la température de figeage ; cela en tout point de la conduite. Dans cette enveloppe circule le tube de réchauffage dont l'isolant HT détermine le flux thermique d'apport pour compenser le flux dissipé précédent et pour maintenir l'intérieur de l'enveloppe à la température de figeage. Dans ces conditions les flux sont constants et se compensent, alors que la température du fluide caloporteur décroît le long du tube de réchauffage. Il convient donc de faire varier l'épaisseur de l'isolant HT pour maintenir le flux d'apport constant. Dans cette enveloppe circule aussi la conduite à la température de figeage donc neutre dans le bilan des flux pour cette vision du cas limite. Pour valider ce concept théorique, l'enveloppe isolante basse température BT est choisie de section oblongue à profil constant, de manière à offrir une épaisseur minimale constante par rapport à l'extérieur pour tous les éléments qu'elle contient, conduite, tube de réchauffage, isolant HT, gaine d'étanchéité et ce, en tout point de la conduite. La section oblongue à profil constant est aussi la forme la plus facile et la plus pratique à construire et à poser. Le diamètre du tube de réchauffage est un choix important. Il doit être le plus gros possible pour transporter le maximum de calories et suffisamment petit pour créer une perte de charge dans le tube au moins égale à la pression d'ébullition à la température initiale du fluide caloporteur, environ 330°C, 150 b, dans notre exemple. Cette disposition permet de s'assurer que la pression à l'intérieur du tube de réchauffage est en tout point supérieure à la pression d'ébullition et qu'il n'y a jamais changement de phase du fluide caloporteur. La vitesse du fluide caloporteur est donc très élevée avec l'avantage induit d'éliminer les dépôts provoqués par d'éventuels précipités, risque déjà minimisé par l'absence de changement de phase. Au contraire, il est même nécessaire de contrôler la corrosion/abrasion de 1.a ligne, comme dans les centrales nucléaires à eau pressurisée qui ont développé un savoir faire sur le sujet. Mais notre application est moins sensible car le système ne fonctionne pas à plein régime en continu. En fait le plein régime est réservé aux périodes d'alerte, sur une faiblesse de la production par exemple. En dehors de ces périodes, le système peut fournir un complément calorifique à des températures, des débits et des pressions moins élevés. Entre les différents régimes un équilibre est à trouver avec les aides habituelles : coupons témoins, mesures ultrasoniques, racleurs intelligents etc. Pour la mise en température du fluide caloporteur, il est économique et facile de faire circuler le tube de réchauffage dans les échappements d'une turbine à gaz fréquemment disponible sur l'unité de surface pour, la génération électrique, l.a compression gaz, ou tout autre motorisation. En effet, les gaz d'échappement, entre 500° C et 600° C, sont souvent perdus et conviennent parfaitement pour un réchauffage à 300°C dans la gamme des puissances thermiques de 1 à 10 MW. Le dispositif peut facilement être réalisé en concevant l'enveloppe isolante BT en deux parties dont le plan de joint passe par l'axe des deux tubes. Le tube de réchauffage, de petit diamètre, peut être introduit au moment de la mise en place des coquilles isolantes BT à partir d'une bobine selon la technique dite � au déroulé � sur la barge de pose. Cette technique est économique, surtout par rapport à une boucle, car il n'y a qu'une pose. La présence du tube de réchauffage, dans le système selon l'invention, donne l'opportunité d'une utilisation en conduite auxiliaire à la conduite principale avec de nombreuses possibilités. Il est ainsi possible de déplacer le pétrole brut de la conduite, de pousser des racleurs dans la conduite à partir d'une gare automatique sous marine, d'introduire des produits actifs dans la conduite, de recycler des fluides séparés sur l'unité de surface etc., tout comme une boucle, mais à un coût très inférieur et avec des fonctionnalités de réchauffage supplémentaires. Dans l'application déplacement, le débit de remplissage qui passe par le tube de réchauffage est relativement faible par rapport au débit dans une boucle. Les temps de déplacement sont, en conséquence, de l'ordre du jour. Mais bien voir que, même pour une boucle, le passage en configuration boucle double les pertes de charge et le volume à remplir, d'où des temps aussi relativement longs.35 Dans son application réchauffage comme dans ses applications auxiliaires, nous avons vu qu'il y a intérêt à augmenter le débit dans le tube de réchauffage. Une façon d'y parvenir est d'augmenter la pression, ce qui n'est pas un problème pour le tube de réchauffage de petit diamètre, mais qui l'est pour la conduite de plus gros diamètre. Pour optimiser le système selon l'invention, le tube de réchauffage est suffisamment résistant pour supporter une pression équivalente à la pression que peut supporter la tête de puits. De plus le système de vannes monté en extrémité pour la mise à la mer ou la mise en communication avec la conduite est préférentiellement installé au plus près de la tête de puits et géré par les automatismes de cette dernière. Dés que la pression est trop forte pour la conduite, le système de vannes de communication avec la conduite est fermé et le système de vannes de mise à la mer est ouvert. Du fait de son petit diamètre le tube réchauffage est moins coûteux qu'une boucle, tout en étant plus efficace car la dispersion thermique diminue avec le diamètre alors que, simultanément, la tenue à la pression augmente. En exploitation il permet un arrivage massif de chaleur pour repousser des opérations lourdes de préservation. Dans certains cas particuliers, l'unité de traitement est installée non pas sur un support flottant mais sur une île naturelle ou artificielle. Dans ce cas, la remontée de la conduite peut s'écarter de la verticale sans nuire aux principes et au fonctionnement du système. A titre indicatif la conduite de notre exemple chiffré a un diamètre de 10", une enveloppe isolante BT d'épaisseur minimale 2", un tube de réchauffage de diamètre 2" avec une enveloppe isolante HT d'épaisseur 1" au départ, la longueur de la conduite est de 20 kilomètres. 25 Les figures illustrent le système selon l'invention dans des configurations particulières non limitatives. La figure 1 schématise, en coupe verticale, l'arrangement d'un champ pétrolier par grande profondeur d'eau, avec pour éléments principaux : la mer (1), le fond marin (2), une des têtes de 30 puits (3), le support flottant (5) et l'unité de traitement (6) en surface. La conduite sous marine (10) achemine le pétrole brut de la tête de puits (3) à l'unité de traitement (6). Un tube de réchauffage (10) maintient une température minimale dans la conduite (10) pour faciliter le transfert. Les trois tronçons de la conduite sous marine sont bien distincts, avec le 1 er tronçon (4a) pratiquement vertical du fond (2) à l'unité de traitement (6), avec le 2éme tronçon (4b) posé 7 sur le fond marin (2) plus ou moins horizontal, puis le et 3éme tronçon (4c) connecté à la tête de puits (3). La figure 2 représente la conduite en coupe transversale pour ses 3 tronçons. La figure 2a pour le ter tronçon (4a), la figure 2b pour le 2éme tronçon (4b) et la figure 2c pour le 3éme tronçon (4c). Ces coupes ont pour but de montrer les arrangements des principaux éléments et leurs évolutions, pour les trois tronçons avec : • le tube de production (10) qui véhicule le pétrole brut, • l'enveloppe isolante basse température BT, ici représentée en deux coquilles (11) et (15) avec un plan de joint (16), qui isole l'ensemble conduite et le tube de réchauffage (12), • le tube de réchauffage (12) qui transporte le fluide caloporteur et qui est lui-même partiellement isolé par rapport à l'intérieur de l'enveloppe BT grâce à son isolation haute température HT (13), • la gaine d'étanchéité (14) qui empêche l'eau de mer de venir au contact du tube de 15 réchauffage (12) et la gorge de ventilation (17) dans l'isolant HT qui évite la montée en pression positive de la gaine. La figure 3 schématise la circulation des fluides au niveau de l'unité de traitement en surface dans le mode préféré de l'invention et dans d'autres modes possibles à titre d'exemple. 20 Dans le mode préféré, l'eau de mer est pompée sur l'unité de surface par la pomperie (35), puis transformée en eau d'injection pour la stimulation du champ dans l'unité (36). Une partie est dérivée pour être pressurisée par les pompes (39) et être utilisée comme fluide caloporteur destiné au réchauffage des conduites sous marines. Après mise en pression, le fluide caloporteur chemine dans les échappements d'une turbine à gaz (40) ou dans un réchauffeur pour y être 25 surchauffé avant d'être envoyé dans le tube de réchauffage (41). Un bac de stockage d'eau d'injection ou de production (38) peut éventuellement être installé sur le support flottant si on envisage de déplacer le contenu de la conduite (42) pendant les arrêts production ou éventuellement pour pousser des racleurs. Par contre si de l'huile � morte � est utilisée, elle sera prélevée dans le stockage (33), fréquent sur les supports flottants. 30 La figure 4a schématise une configuration particulière de l'extrémité du tube de réchauffage (11) avec un système de vannes d'extrémité qui permet d'avoir soit un rejet direct à la mer du fluide caloporteur, soit son recyclage dans la conduite (10) ou de tout autre fluide si le tube de réchauffage est utilisé à d'autres fins. Ainsi le système de vannes (8) permet d'obturer le rejet à 35 la mer et le système de vannes (9) met en communication la conduite (10), à volonté. A noter que le changement de la classe de pression entre la conduite (10) et la tête de puits (3) est proche de cette dernière et que les systèmes de vannes (8) et (9) peuvent comporter plusieurs vannes ou éléments de robinetterie en série. La figure 4b schématise une configuration particulière du système de vannes d'extrémité quand le tube de réchauffage (11) est suffisamment résistant pour supporter une pression équivalente à la pression que peut supporter la tête de puits (3). Dés que la pression dans le tube de réchauffage est trop forte pour la conduite sous marine (10) en aval, le système de vannes de communication (9) est fermé et le système de vannes (8) de mise à la mer est ouvert. Le changement de la classe de pression entre la conduite (10) et la tête de puits (3) est en aval du système de vannes (9). La figure 5 schématise une variante particulière de construction et de mise en place de la conduite (29) qui associe une technique de pose classique du tube de production (23) à une pose au déroulé du tube de réchauffage (27). Sont ici schématisés, la mer (20), le fond marin (21), la barge de pose (22), le poste classique de soudage bout à bout des tubes de production (24), le tensioneur (25) pour le contrôle de l'effort de pose de la conduite (29) sur le fond, la bobine d'enroulement et de stockage du tube de réchauffage (26), le poste d'introduction du tube de réchauffage (27) et la mise en place des coquilles ]isolantes BT (28). 9 REVENDICATIONS1 - Dispositif de réchauffage pour conduites sous marines par introduction d'un fluide caloporteur dans un tube inséré entre la conduite et son enveloppe isolante, caractérisé en ce qu'il associe : - un tube de réchauffage entouré d'un isolant haute température HT dont la température de peau reste inférieure à la température limite de l'isolant basse température BT. - un isolant haute température HT revêtu d'une gaine étanche à l'eau jusqu'à une profondeur suffisante pour que la pression hydrostatique évite l'ébullition de l'eau de mer à la température initiale du fluide caloporteur, - une enveloppe isolante basse température BT de section oblongue à profil constant offrant une épaisseur minimale constante par rapport à l'extérieur pour tous les éléments qu'elle contient, conduite, tube de réchauffage, isolant haute température HT, gaine d'étanchéité et ce, en tout point de la conduite. - un tube de réchauffage avec son isolant haute température HT et sa gaine d'étanchéité, noyé dans l'enveloppe isolante basse température BT die la conduite de manière à rester au plus près et au contact de cette dernière, en tout point de la conduite. 2 û Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau pressurisée mise en pression sur l'unité de traitement en surface, à une pression proche de la pression hydrostatique régnant au fond de la mer à la verticale de l'unité et ce, à une température légèrement inférieure à la température d'ébullition de l'eau à cette pression. 3 û Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'isolant haute température HT 25 autour du tube de réchauffage décroît progressivement ou par paliers en direction de la tête de puits selon la loi exponentielle : (1-x/l) log (Do/Di) D=Di. e Où 30 D est le diamètre extérieur de l'isolant basse température BT à la distance x le long de la conduite, 1 la longueur du tube de réchauffage, Di le diamètre extérieur du tube de réchauffage, Do le diamètre extérieur de l'isolant HT sur l'unité de surface. 35 10û Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'extrémité du tube de réchauffage dispose d'un système de vannes d'extrémité permettant, à volonté, de faire communiquer l'extrémité du tube de réchauffage soit avec la mer soit avec la conduite. 5û Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le diamètre du tube de réchauffage est suffisamment petit pour créer une perte de charge dans le tube au moins égale à la pression d'ébullition à la température initiale du fluide caloporteur. 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'eau pressurisée est prélevée sur l'eau d'injection destinée à la stimulation du champ pétrolier. 7- Dispositif selon les revendications 1, 2 et 4 caractérisé en ce que l'eau pressurisée est prélevée sur l'eau de production et recyclée dans la conduite à l'extrémité du tube de réchauffage. 8- Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé en ce que le tube de réchauffage peut supporter une pression équivalente à la pression que peut supporter la tête de puits. 9- Dispositif selon les revendications 1, 4 et 8 caractérisé en ce que le système de vannes d'extrémité est installé au bout du tube de réchauffage au plus près de la tête de puits et géré par 20 les automatismes de cette dernière. 10- Dispositif selon les revendications 1, 2, 4, 8 et 9 caractérisé en ce que le système de vannes d'extrémité met le fluide caloporteur à la mer quand sa pression dépasse la pression limite de la conduite tout en fermant la communication avec cette dernière. 25 11