Brevet FR2952399A1 — publié le 20110513

La présente invention a trait au domaine du forage et de l'exploitation pétrolière de gisement en mer profonde. Elle concerne une colonne montante (couramment appelée "riser") comprenant des moyens spécifiques pour 10 conserver, au moins en partie, le fluide contenu dans l'espace intérieur de la colonne lors d'une déconnexion de cette colonne de la tête de puits sous-marine. Une colonne montante de forage est constituée par un ensemble 15 d'éléments tubulaires de longueur comprise entre 15 et 25 m assemblés par des connecteurs. Le poids de ces colonnes supporté par une plateforme en mer peut être très important, ce qui impose, outre des moyens de suspension de très forte capacité en surface, des dimensions adaptées pour le tube principal et les raccords de liaison afin de résister aux contraintes créées par les 20 mouvements de la houle, les régimes de pressions interne ou externe au tube principal et par les charges pendues en modes connecté ou déconnecté. La question peut se poser de savoir si le "riser" doit être dimensionné de manière à résister à la pression externe ("collapse") de l'eau de mer en cas 25 de vidage de la boue contenue dans le tube principal. En mode forage (riser connecté à la tête de puits), le vidage du riser peut résulter de pertes de boue dans la formation. C'est une situation accidentelle bien connue des foreurs en "onshore", mais qui peut aussi exister 30 en mer et provoquer un vidage plus ou moins rapide du riser. En offshore profond, il est difficile de penser que le riser puisse se vider sur des centaines 1 de mètres sans que les foreurs s'en aperçoivent et prennent des dispositions adéquates. Ces dispositions peuvent consister à fermer au moins un obturateur de puits (BOP) pour isoler le riser du puits en situation de perte. Le volume du riser (21"OD) étant d'environ 20 m3 par 100 m, le vidage ne pourrait pratiquement concerner que quelques centaines de mètres de riser, ce qui ne peut provoquer qu'une pression différentielle (pression externe moins la pression interne) de quelques dizaines de bars au niveau de la surface libre de la boue, ce qui n'est pas très contraignant pour le dimensionnement du tube principal vis-à-vis de la pression d'écrasement (collapse). Il peut en être différemment en cas de déconnexion soudaine du riser. Une telle déconnexion peut intervenir à tout moment en forage par suite d'une avarie du système d'ancrage du support flottant, en particulier s'il s'agit d'un positionnement dynamique (panne des moteurs de positionnement, ou du calculateur, perte de position GSM, vent ou courant marin trop fort) ou rupture d'une ligne d'ancrage s'il s'agit d'un ancrage funiculaire. Dans cette circonstance accidentelle, le foreur interrompt immédiatement les opérations de forage et déclenche une séquence automatique de sécurité qui consiste notamment en la déconnexion du riser (cisaillage et suspension de la tige passant dans le BOP, fermeture d'au moins un BOP annulaire, déconnexion LMRP/BOP). Le riser se trouve alors suspendu au support flottant avec le LMRP accroché à sa base, par l'intermédiaire des moyens de tension. La colonne "riser" est ouverte en pied et laisse échapper la boue qu'elle contient. Le fluide de forage est généralement de masse volumique supérieure à celle de l'eau de mer, et s'écoule dans la mer jusqu'à ce qu'un équilibre hydrostatique s'effectue. L'équilibre peut être déplacé à cause d'un éventuel effet de surpression due à la dynamique. Le calcul du niveau de la surface libre de la boue s'effectue donc par un simple calcul de vases communicants entre l'espace interne du riser et l'océan. On trouve que ce niveau varie avec la densité de la boue depuis la surface, si le riser est plein d'eau de mer, et jusqu'à mi hauteur du riser s'il est plein de boue de masse volumique maximale 2,04 kg/1 (17 ppg). Pour un riser très long (3000 m), cela peut donc représenter jusqu'à 1500 m de vidage, soit 300 m3 de boue et une pression externe de 150 bar au niveau de l'interface. Outre l'interruption des opérations de forage, une telle déconnexion aurait de multiples inconvénients: - perte physique et économique d'un grand volume de boue; - pollution de l'océan, les rejets de boues de forage étant de plus en plus sévèrement réglementés et réprimés; - aggravation des phénomènes transitoires faisant suite à la déconnexion du riser (problème du "riser recoin; - risque d'écrasement par pression externe ("collapse") du riser. Pour prévenir ce dernier risque, on peut prendre différentes mesures: 1. Dimensionner l'épaisseur du tube principal pour qu'il résiste intrinsèquement à la pression externe maximale considérée. Le dimensionnement au "collapse" du tube principal peut alors devenir le facteur déterminant, ce qui est vraisemblablement pénalisant pour le riser et contradictoire avec le souhait généralement affiché de réduire le poids du riser. 2. Insérer dans la partie courante du riser une vanne dite de remplissage (en anglais "fill up valve") qui s'ouvre automatiquement ou par commande en cas de perte de pression à l'intérieur du tube principal. La fiabilité de ces vannes, qui ne fonctionnent que très rarement, le plus souvent en tests et de rare fois à la suite d'incidents, semble toutefois sujette à caution et leur emploi, non généralisé, peut même être proscrit par certains opérateurs. Ces deux solutions ont donc de forts inconvénients. De plus, elles n'apportent une réponse qu'à la dernière préoccupation exprimée ci-dessus, 30 soit le risque d'écrasement par pression externe ("collapse") du riser. Ainsi, la présente invention a pour objectif de répondre à l'ensemble de ces préoccupations. Pour cela, l'invention concerne une colonne montante reliant une tête de puits sous-marine à un support flottant de forage et comprenant un moyen de connexion et/ou de déconnexion à sa base, caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de fermeture de l'espace intérieur de ladite colonne adapté à contrôler le vidage du fluide contenu dans ledit espace. Selon l'invention, le contrôle permet de gérer la fermeture ou l'ouverture dudit moyen en fonction des conditions. Ledit moyen de fermeture peut être commandé hydrauliquement à partir de la surface. Le moyen de fermeture peut être constitué par un obturateur de puits assemblé à l'envers de manière à tenir à une pression hydraulique exercée du haut vers le bas. Ledit obturateur de puits peut être un obturateur annulaire. L'invention concerne également un procédé de déconnexion de la colonne montante selon l'invention, dans lequel on commande à la fermeture ledit moyen de fermeture avant de commander un connecteur à l'ouverture. On peut évacuer à la surface le fluide contenu dans la colonne montante par circulation inverse en utilisant une ligne auxiliaire, en particulier la "boosting line" adaptée à la circulation d'un fluide de forage ou de l'eau de mer. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles: la figure 1 montre l'architecture conventionnelle d'une colonne montante de forage en offshore flottant; la figure 2 montre schématiquement la colonne montante selon la présente invention. La figure 1 montre l'architecture schématisée des équipements situés entre la colonne riser 1 et la tête de puits sous-marine (non représentée). L'ensemble des BOP est connecté sur la tête de puits sous-marine par un connecteur à commande hydraulique 2, surmonté de plusieurs étages de BOP. Dans cet exemple, il y a quatre obturateurs à mâchoires 3, 4, 5, 6 comportant des équipements internes adaptés à des dimensions de tubes différents, ainsi que des mâchoires cisaillantes et à fermeture totale. Un obturateur annulaire 7 surmonte généralement cet empilage. La colonne riser est reliée aux BOP par l'intermédiaire d'un autre connecteur hydraulique 8, qui permet la déconnexion à la tête de puits tout en laissant les BOP principaux (3, 4, 5, 6, 7) sur le puits. Les équipements entre le connecteur supérieur 8 et la base de la colonne 1 sont conventionnellement dénommés LMRP (Lower Marine Riser Package). Cette partie comporte les commandes (Control Pod) hydrauliques des BOP inférieurs, vannes, et connecteur 2. Ainsi, après avoir mis en sécurité le puits, on peut remonter à la surface les moyens de commande situés sur le LMRP pour réparation éventuelle. Le LMRP peut comprendre un BOP annulaire 9 et généralement un 20 joint souple (Flex Joint) 10. La figure 2 montre une architecture d'obturateurs de puits selon l'invention. Les mêmes équipements d'obturateurs, de connecteurs peuvent être utilisés. 25 Selon l'invention, on insère dans l'architecture du LMRP ("Lower Marine Riser Package") un moyen de fermeture de l'espace interne de la colonne riser 11 de façon à pouvoir retenir le fluide contenu dans la colonne. Ce moyen de fermeture est de préférence commandé hydrauliquement. Un tel équipement peut être un BOP annulaire basse pression (5000 psi) monté 30 inversé de façon à pouvoir résister à une pression exercée par le haut, ce qui est contraire à la pression du puits. Le moyen de fermeture doit être capable de retenir la boue contenue dans le riser. Sa fermeture interviendrait dans la séquence automatique de déconnexion, avant la déconnexion effective du connecteur 8, le riser étant toujours plein de boue. Une fois déconnecté de la tête de puits sous-marine mise en sécurité par les obturateurs inférieurs, le remplacement de la boue par l'eau de mer interviendrait ensuite, en dehors de toute procédure d'urgence, par circulation inverse en utilisant la ligne auxiliaire "Boosting Line". On évite ainsi la perte physique de la boue dans l'océan, laquelle boue est récupérée dans les bacs de stockage en surface. Le transitoire de déconnexion serait limité à la discontinuité de tension au niveau du LMRP (de l'ordre d'une centaine de tonnes) et ne serait pas aggravé par la chute de tension induite par la perte de boue. Aucun risque de collapse du riser n'aurait plus à être considéré puisque la boue serait progressivement remplacée par de l'eau. Les inconvénients sont un poids et un prix du LMRP augmentés, une séquence de déconnexion plus complexe, un poids du riser pendu plus important mais inférieur à celui en forage avec la même boue. Cependant tous les avantages de la présente invention, notamment de sécurité, d'économie de fluide de forage, et de contrôle de pollution, sont incontournables. REVENDICATIONS1) Colonne montante reliant une tête de puits sous-marine à un support flottant de forage et comprenant un moyen de connexion et/ou de déconnexion à sa base (8), caractérisée en ce qu'elle comporte un moyen de fermeture (11) de l'espace intérieur de ladite colonne (1) adapté à contrôler le vidage du fluide contenu dans ledit espace. 2) Colonne selon la revendication 1, dans laquelle ledit moyen de 10 fermeture est commandé hydrauliquement à partir de la surface. 3) Colonne selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le moyen de fermeture est constitué par un obturateur de puits assemblé à l'envers de manière à tenir à une pression hydraulique exercée du haut vers le 15 bas. 4) Colonne selon la revendication 3, dans laquelle ledit obturateur de puits est un obturateur annulaire. 20 5) Procédé de déconnexion de la colonne montante selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel on commande à la fermeture ledit moyen de fermeture avant de commander un connecteur à l'ouverture. 6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel on évacue à la surface 25 le fluide contenu dans la colonne montante par circulation inverse en utilisant une ligne auxiliaire.