Brevet FR2961843A1 — publié le 20111230

- 2.961843 r 1 DISPOSITIF DE PRÉVENTION D'ÉPANDAGE D'HYDROCARBURES AU FOND DE L'OCÉAN A. Domaine et environnement de l'invention La présente invention concerne un dispositif et une méthodologie destinés à la collecte d'hydrocarbures s'échappant au fond de l'océan et à leur transfert direct en surface dans des réservoirs de stockage portés par des embarcations de service, en vue d'éviter la dispersion du pétrole dans l'océan. Dans le système proposé, dénommé ici Contrôleur de fuite d'Hydrocarbures CFH), un élément quelconque pris séparément est susceptible d'exister dans l'industrie pour une utilisation différente de celle ici décrite. Pour réaliser l'objectif de prévention de fuite d'hydrocarbures au fond de l'océan dans le milieu marin environnant, une approche particulière a été suivie dans la conception du présent projet : d'une part une configuration particulière des différentes parties formant le système, d'autre part le développement d'une méthodologie opératoire et de procédures de fonctionnement spécialement conçues en vue de la résolution du problème à résoudre, comme décrit ci-dessous : 1) L'idée conceptuelle gouvernant le système est basée sur un assemblage de divers éléments liés à une conduite de collecte suivant une configuration particulière, de telle façon que l'ensemble formé se traduit par un déplacement positif dans la conduite de collecte de la mixture hydrocarbures / eau aspirée au fond de l'océan. L'ensemble est conçu de manière à éviter l'utilisation de pompes aspirantes, lesquelles sont inadéquates pour ce type d'opération : elles sont ici remplacées par des pompes haute pression à déplacement positif, similaires à celles utilisées dans les puits de pétrole pour les cimentations de tubages ou pour les opérations de fracturation hydraulique. 2) Avec le système proposé, le fluide utilisé pour la génération des forces ascensionnelles est injecté depuis la surface à travers des lignes séparées. Chauffé en surface à une température de 50°C à 80°C, ce fluide moteur atteint le fond avec une énergie thermique suffisante pour prévenir la formation de cristaux d'hydrates (qui seraient autrement générés par suite de l'exposition des hydrocarbures à la température relativement basse existant au fond de la mer). Plusieurs étages d'injection de fluide moteur peuvent être disposés le long du tube collecteur, se traduisant par une inhibition totale de la tendance à formation d'hydrates depuis le fond jusqu'à la surface. Dans son ensemble le système est une adaptation du dispositif objet du brevet d'invention INPI France / n°07 09161 (publication n° 2 925 933, du 21 mai 2010), avec les nécessaires modifications visant à la réalisation de l'objectif décrit plus haut. En addition à l'adaptation des éléments mécaniques constituant le système, des procédures opérationnelles spécifiques sont prévues, qui assurent l'efficacité de la capture au fond et du déplacement positif dans le tube de collecte jusqu'en surface. Comme décrit, le système est conçu en premier lieu pour les opérations de captage consécutives à une éruption incontrôlée de pétrole (blowout). Son installation in situ est réalisée après l'accident, avec l'assistance de navire de service mobilisé pour l'occasion après que tous autres essais de contrôle aient été vainement tentés. Le temps nécessaire pour décision, suivie de préparation et exécution des tests initiaux, est habituellement de l'ordre de plusieurs semaines durant lesquelles les fuites d'hydrocarbure peuvent devenir dramatiques. Gardant à l'esprit la nécessité de mesures de sécurité renforcées dans le cas de forages dans les zones offshore à grande profondeur d'eau, il est possible d'adapter le système de telle manière qu'il devient partie intégrante de la tête de contrôle de puits (BOP : Bloc Obturateur de Puits). Étant ainsi en place dès le début des opérations de forage, le dispositif est prêt à être opéré à tout moment en cas de nécessité. Cette option est discutée en détails au chapitre C, avec illustration par la figure 3. B. Brève description des figures et schémas La figure 1 illustre schématiquement la configuration de la partie immergée du système, depuis la surface (A) et le fond de l'océan (B). Un conduit flexible haute pression (1), ici dénommé flexible collecteur, avec un diamètre intérieur de 15 à 30 cm (ou plus si nécessaire), est connecté à sa partie inférieure à un entonnoir de capture (2) permettant de coiffer la zone de fuites d'hydrocarbures au fond de la mer. À son extrémité supérieure, le tube collecteur est terminé par une tête de contrôle liée aux réservoirs de stockage du navire de service. Le long du flexible collecteur sont intégrés plusieurs étages constituant chacun un étage impulseur (3) qui fournit l'énergie requise au flux dirigé de bas en haut à l'intérieur du tube de collecte. Le nombre d'étages ( 31 ; 32 ; 33) est déterminé en considération de la profondeur et température du fond de l'océan, ainsi que des propriétés physiques du pétrole à récupérer. Il peut être ajusté, après des essais in situ, en vue d'une meilleure efficacité de l'opération de collecte. Les lignes de puissance et de contrôle des étages impulseurs (non représentées sur le schéma) sont de faible diamètre et fixées par colliers le long et à l'extérieur du tube collecteur. La figure 2 est une illustration d'un étage impulseur. Le premier est situé immédiatement à la partie supérieure de l'entonnoir collecteur (2) ; les autres sont distribués, conformément aux tests pré opérationnels, le long du flexible collecteur (1). Un étage impulseur est composé de deux principaux éléments : un anneau impulseur (3) qui reçoit le fluide moteur, en général eau de mer (ou eau additionnée de surfactants, si jugé nécessaire), pompés à haute pression depuis la surface via le flexible latéral (4). Par effet venturi, l'énergie potentielle du fluide impulseur est transformée en énergie cinétique, laquelle génère dans le tube collecteur et transfère à la mixture à collecter les forces ascensionnelles requises. Le deuxième élément, obturateur interne (5), fixé au dessous de l'anneau impulseur, a une fonction de clapet anti retour, laissant libre le passage de fluides de bas en haut, et, sous contrôle depuis la surface grâce à des lignes de service (6), bloquant le déplacement de haut en bas. Différents types d'obturateur interne sont décrit dans le brevet INPI mentionné plus haut. Procédures et dispositions opérationnelles Actionnés indépendamment, les étages impulseurs reçoivent de la surface le fluide moteur préalablement chauffé à 50 / 80°C. Quand ce fluide atteint le fond, la température du milieu situé autour de lui augmente, ce qui inhibe la génération de cristaux d'hydrates, prévenant ainsi la formation de bouchons dans le système collecteur. La possibilité de modifier par action en surface la vitesse du fluide moteur à l'intérieur des anneaux impulseurs, combinée à la faculté de maintenir ouverts ou fermés les obturateurs internes, donne au dispositif une flexibilité opérationnelle, assurant son efficacité : à tout moment le système peut réagir, manuellement ou automatiquement, en vue de maintenir un contrôle permanent du régime de flux, ce qui permet d'éviter toute obstruction dans le tube de collecte. Les paramètres opérationnels tels que pression, température et débit sont recueillis par des capteurs localisés au niveau de chaque étage impulseur. Leurs signaux est transmis en surface par câbles électriques fixés le long du tube collecteur. L'équipement de surface, installé sur un navire de service (ou sur une plateforme de forage) est composé des pompes haute pression, réchauffeurs de fluide moteur, réservoirs de stockage, appareils de sécurité et tous les accessoires requis. Un poste central de commande, équipé d'ordinateurs et appareils de contrôle électronique, permet le contrôle et l'optimisation de l'opération en temps réel. La figure 3 est une illustration schématique d'un système CFH (Contrôleur de Fuites d'Hydrocarbures) dans lequel l'entonnoir collecteur (2) est fixé en permanence au sommet du Block Obturateur de Puits (BOP) (4), les autres parties de l'ensemble, ainsi que les procédures opérationnelles, restant inchangées. L'ensemble de surface assurant le contrôle et la commande du dispositif est alors installé sur un navire multiservice ancré à la plus courte distance possible (compatible avec la sécurité) de la plateforme effectuant le forage du puits. Alternativement, l'ensemble de surface du système peut être monté sur une deuxième sonde de forage ; dans ce cas, les plateformes (a) et (b) sont équipées chacune d'un ensemble CFH, avec les avantages mentionnés plus bas (chapitre C). C . Sécurité et protection environnementale Le présent dispositif est premièrement conçu pour contrôler les venues d'hydrocarbures, en vue d'éviter la dispersion de ceux-ci dans l'océan, lorsque se produisent des fuites accidentelles au niveau de la tète de contrôle sous-marine de forage. Compte tenu des politiques de forage pratiquées jusqu'ici de par le monde, dans l'éventualité d'une éruption incontrôlée du puits l'utilisation d'un tel système de capture de fuites (ou de tout autre ayant un objectif similaire) n'est en fait envisagé qu'après que toutes les autres solutions disponibles ou envisageables aient été essayées sans succès. Pendant tout ce temps, les fuites restent incontrôlées et peuvent même parfois augmenter en raison des divers essais précipités effectués en vue de les juguler. Dans les opérations de forage en eaux profondes, il de notoriété publique que toute action entreprise pour combattre les effets d'un accident demeure un temps relativement long avant d'être effectivement opérationnelle ; spécialement quant elle met en oeuvre des équipements et/ou procédures non disponibles immédiatement sur le chantier : avant que ne soit initiée l'étape finale, les diverses phases (analyse/conception, préparation, mobilisation et installation des équipements, tests pré opérationnels, etc.), peuvent s'étaler sur plusieurs semaines ou mois. Pendant tout ce temps le volume cumulatif des fuites ne cesse de s'accroître. Contrôleur de Fuites d'Hydrocarbures (CFH) Une amélioration notable des opérations offshore, relativement aux aspects de sécurité et sauvegarde de l'environnement, peut être obtenue par application de la pratique suivante (qui pourraient être généralisée à tous les contrats de forage offshore en eau profonde) : obligation d'installer le système objet de la présente demande de brevet dès le début du forage ; le système CFH devenant alors partie intégrante des appareillages de sécurité pour toute sonde destinée à forer en eau profonde. Reconnaissant que cette obligation implique un coût additionnel important, il est cependant légitime d'insister sur le fait que les dépenses ainsi engagées sont d'une magnitude très inférieure à celles générées par une éruption incontrôlée. D'un autre côté, la technique proposée apporte l'avantage majeur de diminuer fortement la probabilité de pollution avec ses dommages subséquents. Contrôleur Intégré de Fuites d'Hydrocarbures (CIFH) Le système dans son ensemble est illustré schématiquement dans la figure 3, qui correspond à l'option d'assistance permanente fournie par l'intermédiaire d'un navire d'appui multi services ancré à quelques centaines de mètre de la plateforme de forage. Forages jumelés Alternativement, dans l'optique d'une pratique sécuritaire renforcée, le navire d'appui peut être remplacé par une deuxième plateforme forant un deuxième puits sur la même structure, simultanément avec la première, (technique de forages jumelés). Dans cette configuration, chaque sonde est équipée d'un dispositif de prévention de fuites, constituant un ensemble d'assistance mutuelle prêt fonctionner en cas de problème : l'une des plateformes victime d'un accident sérieux peut être immédiatement secourue par sa jumelle. Une telle pratique réduirait pratiquement à près de zéro la probabilité de fuite d'hydrocarbures dans la mer. Avantage additionnel : si l'une des sondes (a) est totalement détruite ou paralysée, la seconde (b) est en bonne position pour compléter rapidement le puits de secours ; en effet, profitant du fait que la profondeur atteinte par chacune des plateformes est sensiblement la même, une déviation du puits (b) jusqu'au puits (a) peut être réalisée en quelques jours (comparé à quelques mois s'il s'agissait d'un nouveau puits). Le résultat se traduit par le fait que le temps nécessaire pour qu'il soit possible de réaliser le contrôle final du puits en éruption (par pompage de boue et ciment au fond) est minimisé. La technique de forages jumelés peut aussi apporter un avantage supplémentaire quant à la sécurité en effet, si les lignes de contrôle et commande des BOP de chacune des sondes sont doublées par des lignes liées à la sonde jumelle, il devient possible à tout moment et immédiatement d'opérer ceux-ci à partir des lignes secours de la sonde non accidentée. En cas d'urgence majeure, cette possibilité constitue une protection supplémentaire, permettant d'agir sur les BOP dès l'apparition d'éruption sur l'un des puits. REVENDICATIONS1. Dispositif et méthode de collecte d'hydrocarbures s'échappant d'un puits de pétrole au fond de l'océan, avec déplacement des effluents jusqu'en surface dans les réservoirs de stockage d'une embarcation de service ; le système est basé d'une part sur celui décrit dans le brevet INPI (France) n° 07 09161, auquel ont été apportées les adaptations et modifications nécessaires, et, d'autre part, sur des règles méthodologiques et procédures spécifiques destinées à assurer efficacement le contrôle permanent des opérations. A cet effet, un flexible collecteur lié à sa partie inférieure à un entonnoir d'aspiration (ou dôme de contention) est immergé par un navire de service jusqu'à ce que l'entonnoir soit positionné au dessus de la fuite au fond de la mer. Le tube de collecte est équipé de plusieurs étages impulseurs (leur nombre dépendant des conditions telles que profondeur d'eau, température au fond, ainsi que des propriétés physiques de l'effluent du puits). Chaque étage est composé de deux éléments : un anneau impulseur et un obturateur interne. L'impulseur reçoit l'énergie hydraulique d'une pompe haute pression installée en surface à travers un flexible HP fixé le long du tube collecteur. L'effet Venturi généré dans l'anneau impulseur se traduit par des forces dynamiques déplaçant de bas en haut l'effluent de pétrole recueilli dans le flexible collecteur. Le fluide moteur est chauffé en surface à 50 / 80 °C avant d'être pompé et conserve, en atteignant le fond, une température suffisante pour éviter la formation de cristaux d'hydrates dans le système de transfert. Les obturateurs internes, situés immédiatement au dessous de leur anneau respectif, sont opérés depuis la surface (à travers des lignes latérales de service) et sont maintenus ouverts (flux ascendant libre) ou fermés (flux descendant bloqué). La possibilité d'agir à tout moment sur les obturateurs permet de garantir le contrôle du régime d'écoulement tout au long du tube collecteur jusqu'aux réservoirs de stockage en surface. L'usage de capteurs (pression, température, débit) placés le long du collecteur permet l'automatisation et l'optimisation de l'opération. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par la fixation de la partie inférieure du collecteur immédiatement au dessus de l'ensemble Bloc Obturateur de Puits (BOP) situé au fond de l'océan. Cette configuration (Contrôleur Intégré de Fuites d'Hydrocarbures / CIFH) constitue un ensemble intégré de contrôle et prévention de fuites prêt à être utilisé à tout moment pendant les phases le forage. En vue d'une sécurité accrue, la technique de forages jumelés (deux sondes perforant simultanément deux puits voisins sur la structure) permet une procédure sécuritaire renforcée, visant à minimiser les chances de perte de contrôle : avec deux sondes en opération simultanée, chacune peut secourir sa jumelle si les lignes de contrôle et commande des BOP et CIFH sont doublées et croisées : les BOP et CIFH de l'une quelconque dessondes peuvent être opérés par sa jumelle en cas de problème sérieux sur la première. En outre, en cas d'éruption totalement incontrôlée sur une plateforme, le puits foré par la deuxième peut servir immédiatement de base comme puits de secours, en pratiquant une déviation vers le fond du puits en éruption ; ainsi le temps écoulé jusqu'aux opérations finales de contrôle peut être réduit au minimum.