Brevet FR3030667A1 — publié le 20160624

La présente invention se rapporte principalement au domaine des forages en eaux profondes, notamment aux forages en mer. Le forage pétrolier se développe « offshore » dans des champs situés à des profondeurs d'eau toujours plus importantes. Aujourd'hui, il n'est pas rare que 15 des projets d'exploration se situent dans des zones maritimes par 2.500 mètres ou 3.000 mètres de fond. Les conditions drastiques de sécurité et de protection de l'environnement dans lesquelles ces forages doivent être réalisés imposent la mise en oeuvre de technologies novatrices, allant souvent bien au-delà de ce qui est communément envisageable. 20 Dans le cas général de forages pétroliers en eau profonde, un engin flottant semi-submersible ou un bateau de forage, généralement à positionnement dynamique, est maintenu en position en surface sensiblement à la verticale du puits foré ou exploité. Dans la suite de la description, on utilise le terme 25 « navire » pour désigner tout engin flottant de forage (semi-submersible ou bateau) utilisé pour le forage ou l'exploitation d'un puits ainsi foré. Un conduit ombilical vertical (en anglais : « riser »), constitué d'un ensemble de tubes en acier, de conduites, de câbles et de tuyauteries de commande, relie 30 le navire de forage, bateau ou plateforme, à la tête de puits sous-marine, -2 positionnée au voisinage du fond marin. Ce conduit ombilical est généralement suspendu sous le navire de forage et connecté à la tête de puits par l'intermédiaire d'un bloc d'obturation ou bloc anti-éruptions (en anglais : « Blow Out Preventer » ou «BOP »). Il est utilisé comme guide pour tous les tubulaires qui serviront à construire le puits foré. Pour les forages en eau profonde, le conduit ombilical est mis en tension entre la tête de puits, au voisinage du fond, et la surface. Il possède des éléments d'allègement, tels des flotteurs, de façon à réduire son poids apparent. Son extrémité haute et son extrémité basse sont respectivement reliées en surface au navire et au fond à la tête de puits par des joints souples respectivement appelés « upper flex joint » et « lower flex joint » (traduisibles en français par «joint flexible supérieur » et «joint flexible inférieur »). Pendant la période de forage et d'exploitation, les deux extrémités du conduit ombilical sont normalement connectées. L'extrémité basse peut être déconnectée dans certains cas, de sorte que le conduit reste suspendu sous le navire de surface. Que son extrémité basse soit connectée ou pas, le conduit est soumis à un courant latéral sur toute la hauteur d'eau traversée, et, environ dans les cent premiers mètres sous la surface de l'eau, aux forces de houle. Les efforts dus à ces deux phénomènes occasionnent : des contraintes de flexion et d'effort tranchant ; une rotation des joints flexibles supérieur et inférieur ; un risque que le cordon ombilical heurte l'intérieur du passage traversant le navire. Pour limiter ces inconvénients, une traction est exercée sur l'extrémité haute par un système de tensionneurs destinés à redresser la courbure. C'est-à-dire à la diminuer. Cette tension s'exerce à travers un système de tension constante. Cependant, un tel système n'empêche pas que, dans certaines circonstances, cette courbure devienne excessive. L'invention a pour but de proposer un système permettant un contrôle amélioré de la courbure du conduit ombilical, et notamment permettre de réduire les contraintes dans le conduit et limiter les angles de flexion des joints flexibles. Selon l'invention, un tel système pour retenir latéralement un conduit ombilical notamment utilisé pour un forage pétrolier en eau profonde est caractérisé en ce qu'il comprend : - un anneau rotatif prévu pour être fixé sur un élément du conduit ombilical ; et, - au moins un dispositif de mouillage, de préférence trois, chaque dispositif étant prévu pour être fixé audit anneau rotatif, de façon à exercer une tension latérale sur ledit conduit ; chaque dispositif de mouillage comprenant de préférence un câble prévu pour être fixé audit anneau rotatif. L'anneau rotatif peut comprendre une partie fixe, montée fixe relativement à l'élément du conduit ombilical et une partie mobile, montée en rotation sur la partie fixe, autour d'un axe. La partie fixe peut comprendre une couronne et des amarrages de préférence régulièrement répartis autour de ladite couronne, une extrémité proximale du câble étant prévue pour être fixée à l'un des amarrages. La partie mobile est de préférence formée de deux demi-coques prévues pour être assemblées latéralement sur la partie fixe. Le dispositif de mouillage comprend avantageusement un coupleur, une bouée, un corps-mort et une ancre de fond, le coupleur étant suspendu à la bouée par un orin et fixé au corps-mort par un câble de mouillage, de sorte que le corps- mort, le coupleur et la bouée sont sensiblement à la verticale les uns des autres, et, de façon à ce que le coupleur soit sensiblement à l'horizontale de Panneau rotatif, le câble de retenue étant fixé par une extrémité distale au coupleur, de sorte que le câble est sensiblement horizontal, l'ancre étant reliée au coupleur par une ligne de mouillage, de façon à éviter ou limiter la dérive du coupleur en direction du conduit ombilical, sous l'action du câble de retenue. Alternativement, le dispositif de mouillage peut comprendre une ancre de fond, une extrémité distale du câble de retenue étant fixée à ladite ancre. Selon une autre alternative, le dispositif de mouillage peut comprendre un remorqueur, une extrémité distale du câble de retenue étant fixée audit remorqueur. Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en élévation selon le tracé I-I de la figure 2, d'un anneau rotatif selon l'invention équipant un élément, appelé joint, de conduit ombilical ; - la figure 2 est une vue selon II-II de l'anneau rotatif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique en élévation illustrant un premier mode de réalisation pour un système de rétention utilisant l'anneau rotatif des figures 1 et 2, des bouées et des ancres ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus, du mode de réalisation de la figure 3;30 - la figure 5 est une vue schématique similaire à celle de la figure 3, illustrant un deuxième mode de réalisation pour un système de rétention utilisant l'anneau rotatif des figures 1 et 2 et des ancres ; - la figure 6 est une vue schématique similaire à celles des figures 3 et 5, illustrant un troisième mode de réalisation pour un système de rétention utilisant l'anneau rotatif des figures 1 et 2 et des remorqueurs ; et, - la figure 7 est une vue schématique en élévation illustrant un dispositif de mise en tension pour un système de rétention selon l'invention. L'invention va être décrite dans le cadre des forages en eaux profondes. Dans les exemples illustrés, un navire de forage 1 est disposé à la surface 2 d'une mer, sensiblement à la verticale d'une tête de puits 3. Le navire 1 comprend un derrick 4 disposé au-dessus d'un passage de table 5 formé verticalement au travers du navire. Ce passage est nommé « moon pool » par les professionnels. Le derrick est relié à la tête de puits par un conduit ombilical 6, nommé « riser » par ces mêmes professionnels. Aux figures 3, 5 et 6, le conduit ombilical est généralement représenté par son axe longitudinal X6. L'extrémité haute du conduit ombilical et son extrémité basse sont respectivement reliées au navire par un joint flexible supérieur 8 et à la tête de puits par un joint flexible inférieur 9. La tête de puits 3 est disposée au voisinage du fond 7 de la mer. La distance entre la surface 3 et le fond 7 étant généralement de plusieurs centaines ou milliers de mètres, les dessins ne sont pas représentés à l'échelle. L'invention concerne un système de rétention 11, 12, 13 destiné à limiter les déformations du conduit ombilical sous les actions combinées de la houle et du courant. Un tel système comprend un anneau rotatif 16 prévu pour être fixé au conduit ombilical. Le conduit ombilical est formé de nombreux éléments 17 mis bout à bout, sensiblement sur toute la hauteur d'eau. Chaque élément a une longueur compatible avec la hauteur du derrick 4. Lors de l'installation du conduit ombilical, les éléments passent à travers la table de rotation puis à travers le passage 5. Ce passage de table comprend, en dessous de la table de rotation, des plateformes de travail permettant d'équiper chaque élément du conduit ombilical. On va maintenant décrire un anneau rotatif 16, en référence aux figures 1 et 2. La figure 1 illustre un tel élément 17 de conduit ombilical sur lequel est fixé l'anneau rotatif 16. L'élément 17 comprend une conduite principale 18 prévue pour le passage des tubes de forage ; il comprend aussi des conduites secondaires 19. Ces conduites secondaires sont ici au nombre de quatre. Elles sont notamment prévues pour assurer la circulation de fluides de forage entre le navire 1 et la tête de puits 3. L'anneau rotatif 16 comprend une partie fixe 21 et une partie mobile 22, mobile en rotation autour d'un axe de rotation X21 porté par la partie fixe. L'axe de rotation X21 est prévu pour être sensiblement confondu avec l'axe longitudinal X6 du conduit ombilical. L'anneau rotatif 16 est sensiblement symétrique relativement à un plan P16 perpendiculaire à l'axe X6 du conduit ombilical. Il est aussi sensiblement symétrique autour de l'axe de rotation X21. La partie fixe 21 est montée sensiblement à mi-hauteur de l'élément 17. Elle constitue un renfort pour l'élément 17, afin qu'il résiste aux contraintes transmises par le système de rétention. Ces contraintes diminuant à mesure où l'on s'éloigne du plan P21 pour se rapprocher des extrémités de l'élément, l'épaisseur de la partie fixe peut être variable. La partie fixe est prévue pour être traversée par la conduite principale 18 et les conduites secondaires 19, et aussi par des câbles électriques (non représentés) qui courent le long du conduit ombilical. De préférence, la partie fixe a une taille qui lui permet de traverser la table de rotation du navire. La partie mobile 22 est formée de deux demi-coques 22A, 22B formant ensemble une couronne 24 montée en rotation sur la partie fixe, autour de l'axe de rotation X21. A la figure 1, seule une première demi-coque 22A, à droite de la figure, est représentée, l'autre demi-coque étant symbolisée par un trait mixte. Les demi-coques permettent un montage de la partie mobile dans le passage 5 du navire, depuis les passerelles qui sont installées sous la table de rotation. Des moyens de prise 23 permettent le guidage en rotation de la partie mobile sur la partie fixe. Le navire 1 pouvant tourner autour de l'axe X6 du conduit ombilical, cette disposition permet la rotation du conduit ombilical simultanément à celle du navire, sans exercer d'effort de torsion préjudiciable sur le système de rétention. Des amarrages 26, 27 sont montés sur la couronne 24. Dans l'exemple illustré, l'anneau rotatif comprend six amarrages régulièrement répartis autour de l'axe de rotation X21, de sorte que chaque demi-coque 22A, 22B comprend trois amarrages. Chaque amarrage comprend un massif d'ancrage 27 s'étendant radialement depuis la couronne 24. Il comprend en outre un anneau d'amarrage 26 disposé verticalement et monté sur le massif 27, en rotation autour d'un axe d'anneau X26 vertical porté par ce massif. Selon l'invention, un système de rétention 11-13 comprend plusieurs câbles de retenue 31, chacun fixé par son extrémité proximale à un anneau d'amarrage 36 respectif De préférence, le système comprend au moins trois câbles 31, de préférence trois ou quatre. Dans l'exemple illustré aux figures 3 et 4, le système 11 comprend trois câbles 31. Chaque câble 31 est prévu pour exercer une tension latérale T31 sur le conduit ombilical, de façon à éviter ou limiter son déplacement dans une direction D31 opposée à cette tension. Comme particulièrement illustré à la figure 4, les câbles sont disposés en « étoile » de façon à répartir les tensions T31 autour du conduit ombilical et à le maintenir sensiblement à l'aplomb du navire et de la tête de puits, tant qu'il y est connecté. On va maintenant décrire un premier mode de réalisation, préféré, pour un système de rétention 11 selon l'invention, en référence aux figures 3 et 4. Outre Panneau rotatif 16 précédemment décrit, ce système 11 dispose d'un dispositif de mouillage comprenant : un coupleur 22, une bouée 33, un corps-mort 34, et, une ancre de fond 35. Le coupleur 22 est suspendu à la bouée 33 par un orin 36 et fixé au corps-mort par un câble de mouillage 37, de sorte que le corps-mort, le coupleur et la bouée sont sensiblement à la verticale les uns des autres, et, de façon à ce que le coupleur soit sensiblement à l'horizontale de l'anneau rotatif 16. L'ancre 35 est reliée au coupleur 32 par une ligne de mouillage 38. Dans ce mode de réalisation, le câble de retenue 31 est fixé par son extrémité distale au coupleur 32, de sorte que le câble 31 est sensiblement horizontal. Ainsi, l'effort appliqué sur le conduit ombilical 6 ne comprend sensiblement pas de composante verticale, de sorte que la tension verticale dans le conduit ombilical est maîtrisée. L'ancre est disposée pour éviter ou limiter la dérive du coupleur en direction du conduit ombilical, sous l'action de la tension T31 du câble de retenue 31. Dans un deuxième mode de réalisation pour un système de rétention 12 selon l'invention, illustré à la figure 5, chaque câble de retenue 31 est directement relié à une ancre de fond 35. De ce fait, le câble de retenu, à son extrémité proximale fixée à l'anneau rotatif, n'est pas horizontal. Il exerce donc sur le conduit ombilical une traction dont une composante V3 est verticale vers le bas. Cette traction peut être importante. Dans ce cas, il est préférable de composer avec la tension prévue dans le conduit ombilical. Une procédure consiste à tester les lignes de mouillage 31, 35 de la façon suivante : poser les câbles de façon à ce que leur intersection coïncide avec l'axe du conduit ombilical ; puis, lester ces lignes à la tension qui correspondra au maximum de l'effort que ce câble aura à subir une fois connecté à l'anneau rotatif. Ce test se fait de préférence avec des remorqueurs du type « releveur d'ancre » (en anglais, « anchor handling tug »). De cette façon, on évite le ripage des ancres dans le cas où l'on aurait installé des ancres se déplaçant dans le sens de la tension jusqu'à obtenir leur résistance sans riper. Dans un troisième mode de réalisation pour un système de rétention 13 selon l'invention, illustré à la figure 6, l'ancre du deuxième mode de réalisation est remplacée par un remorqueur 39. Ce remorqueur est de préférence du type « releveur d'ancre ». Un tel remorqueur peut exercer la force nécessaire pour contrer l'effet du courant sur le conduit ombilical. Par exemple, pour 100 CV de puissance, ce remorqueur releveur d'ancre peut développer une tension Ti d'une tonne. Le câble 31 reliant l'anneau rotatif au remorqueur est préférablement disposé de façon à ce que son extrémité proximale soit sensiblement horizontale ; ainsi, l'effort appliqué sur le conduit ombilical 6 ne comprend sensiblement pas de composante verticale, de sorte que la tension verticale dans le conduit ombilical est maîtrisée. Un système d'instrumentation et de communication peut être mis en place entre le navire de forage 1 et un ou plusieurs remorqueurs, pour coordonner les déplacements relatifs des remorqueurs 39 et du navire 1 et/ou contrôler les tensions T31 appliquées au rider par chacun des câbles de retenue.30 - 10 - Comme particulièrement illustré à la figure 7, la connexion à l'anneau rotatif peut se faire à l'aide d'une poulie 41 fixée à l'anneau rotatif. Une telle poulie permet de remonter une extrémité du câble de retenue 31 jusque sur le pont du navire 1. Avantageusement, cette extrémité peut y être liée à un des tensionneurs du navire, ou à un treuil 41 dédié. Une telle disposition permet par exemple de prétendre le câble 31 avant sa fixation à un anneau d'amarrage 26. La poulie peut remplacer ou être une partie de l'anneau d'amarrage 26, de sorte que la tension de retenue T31 peut être contrôlée en temps réel depuis le navire 1. De préférence, un système de déconnexion rapide est prévu, notamment pour permettre une déconnexion d'urgence, par exemple en cas de tempête exceptionnelle ne permettant pas d'assurer le maintien du navire à l'aplomb de la tête de puits. Avantageusement, le câble de retenue 31 est équipé de bouées de façon à pouvoir récupérer son extrémité proximale, de façon à pouvoir passer cette extrémité dans le passage 5 du navire de forage. Lorsque cette extrémité est récupérée, on peut la connecter à l'anneau rotatif quand celui-ci est installé sur l'élément 17 correspondant, avant que cet élément ne soit immergé. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. Ainsi, il est possible de disposer plusieurs anneaux rotatifs sur la hauteur du conduit ombilical, lorsque la hauteur d'eau est particulièrement importante, ou lorsque les courants marins sont forts. Selon les moyens disponibles ou selon la configuration des lieux, il est possible de combiner plusieurs des modes de réalisations précédemment décrits, ou encore d'autres modes de réalisation. En outre, différents moyens des modes de réalisation peuvent être combinés entre eux. Par exemple, l'ancre du premier mode de réalisation (figures 3 et 4) peut être remplacée par un remorqueur, tel qu'utilisé au troisième mode de réalisation (figure 6). D'une façon générale, l'extrémité distale du câble de retenue peut être fixée sur un support flottant, par exemple sur le pont d'une plateforme semi submersible, par exemple en passant par des poulies fixées sur des colonnes, soit sur un système de mouillage préalablement installé. REVENDICATIONS1. Système (11-13) pour retenir latéralement un conduit ombilical (6) notamment utilisé pour un forage pétrolier en eau profonde, caractérisé en ce qu'il comprend : - un anneau rotatif (16) prévu pour être fixé sur un élément (17) dudit conduit ombilical ; et, au moins un dispositif de mouillage, de préférence trois, chaque dispositif étant prévu pour être fixé audit anneau rotatif, de façon à exercer une tension latérale sur ledit conduit (6) ; chaque dispositif de mouillage comprenant de préférence un câble (31) prévu pour être fixé audit anneau rotatif (16). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau rotatif comprend : - une partie fixe (21), montée fixe relativement à l'élément (17) ; et, - une partie mobile (22), montée en rotation sur la partie fixe, autour d'un axe (X21). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie fixe comprend une couronne (24) et des amarrages (26, 27) de préférence régulièrement répartis autour de ladite couronne, une extrémité proximale du câble (31) étant prévue pour être fixée à l'un desdits amarrages. 4. Système selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la partie mobile est formée de deux demi-coques (22A, 22B) prévues pour être assemblées latéralement sur la partie fixe. 5. Système (11) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce gué le dispositif de mouillage comprend :- 13 - - un coupleur (32), - une bouée (33), - un corps-mort (34), et, - une ancre de fond (35), ledit coupleur étant suspendu à la bouée par un orin (36) et fixé au corps-mort par un câble de mouillage (37), de sorte que le corps-mort, le coupleur et la bouée sont sensiblement à la verticale les uns des autres, et, de façon à ce que le coupleur soit sensiblement à l'horizontale de l'anneau rotatif (16), le câble de retenue (31) étant fixé par une extrémité distale audit coupleur, de sorte que ledit câble est sensiblement horizontal, l'ancre étant reliée audit coupleur par une ligne de mouillage, de façon à éviter ou limiter la dérive dudit coupleur en direction du conduit ombilical, sous l'action dudit câble de retenue (31). 6. Système (12) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de mouillage comprend une ancre de fond (35), une extrémité distale du câble de retenue (31) étant fixée à ladite ancre. 7. Système (13) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de mouillage comprend un remorqueur (39), une extrémité distale du câble de retenue (31) étant fixée audit remorqueur.