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CA 02280399 1999-08-10
Installation d'exploitation d'un gisement en mer et procédé
d'implantation d'une colonne montante
La présente invention concerne une installation d'exploitation d'un
gisement en mer, du type compollant une plate-forme semi-submersible,
au moins une colonne montante reliant la plate-forme au fond marin F, et
des moyens de mise sous tension de ladite colonne montante.
Les plates-formes semi-submersibles sont destinées à l'exploitation
pétrolière dans des mers ou océans de grande profondeur. Elles compor-
tent une coque supportée par des jambes dont la partie inférieure est re-
liée à une embase creuse. Les jambes sont munies de caissons de flotta-
bilité. L'embase et les caissons assurent la flottaison et la stabilité de la
plate-forme. La coque, fixée sur les jambes, est maintenue au-dessus de
la surface de la mer lors de l'exploitation de l'installation.
Une ou plusieurs colonnes montantes, généralement désignée par
le terme anglais "riser" relie la plate-forme au fond marin. Ces colonnes
montantes sont constituées de tubes métalliques.
Leur longueur, qui correspond essentiellement à la profondeur du
lieu d'exploitation est couramment de 1200 m et leur poids est de l'ordre
de 100 tonnes.
Afin d'éviter que les colonnes montantes ne se rompent, sous l'ac-
tion des courants transversaux, il est connu de prévoir des moyens de
mise sous tension de celles-ci. Ces moyens de mise sous tension exer-
cent une force correspondant environ à une à deux fois le poids de la co-
lonne montante.
Du fait du maintien en flottaison de la plate-forme, celle-ci est sou-
mise d'une part aux variations du niveau de l'eau dues à la marée, et
d'autre part aux mouvements de la houle. En conséquence, les moyens
de mise sous tension des colonnes montantes doivent permettre de com-
penser le débattement vertical de la plate-forme au cours du temps. Le
débattement vertical maximal est couramment de 4 à 12 m.
Dans les installations actuelles, les moyens de mise sous tension
des colonnes montantes comportent des vérins à commande hydropneu-
matique disposés entre la tête de la colonne montante et la plate-forme.
Ces vérins doivent avoir une course suffisante pour compenser le dépla-
cement relatif entre la tête de la colonne montante et la plate-forme. De
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plus, ceux-ci doivent être suffisamment puissants pour supporter la traction
de
mise en tension de la colonne montante.
Ainsi, on comprend que les vérins utilisés actuellement sont très
encombrants et d'une technologie complexe.
L'invention a pour but de proposer une installation d'exploitation dans
laquelle la mise sous tension de la ou chaque colonne montante ne nécessite
pas la mise en oeuvre de moyens complexes et encombrants sur la coque de
la plate-forme.
A cet effet, l'invention a pour objet une installation d'exploitation d'un
gisement en mer, du type comportant une plate-forme semi-submersible, au
moins une colonne montante reliant la plate-forme à un fond marin, et des
moyens de mise sous tension de ladite colonne montante, caractérisée en ce
que les moyens de mise sous tension comportent, pour la ou chaque colonne
montante, au moins un flotteur immergé, relié en un point d'une partie
courante de la ou chaque colonne montante pour une traction vers la surface,
et un mécanisme de traction de la ou chaque colonne montante, lequel
mécanisme est installé sur la plate-forme et appliqué en tête de la ou chaque
colonne montante, et en ce qu'elle comporte dès moyens de mise en butée
du ou de chaque flotteur contre la plate-forme, suivant le sens ascendant.
Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation comporte l'une
ou plusieurs des caractéristiques suivantes:
- le ou chaque flotteur est dimensionné pour appliquer sur la colonne
montante, une force de traction supérieure à la force de traction appliquée
par
le mécanisme de traction de tête ;
- le flotteur est dimensionné pour appliquer sur la colonne montante
une force de traction comprise entre 1 et 3 fois le poids de la colonne
montante ;
- la plate-forme comporte une embase immergée et une coque
émergée reliée par des jambes, le ou chaque flotteur étant disposé à la
profondeur de ladite embase, laquelle embase comporte des moyens de
guidage vertical du ou de chaque flotteur ;
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- l'embase comporte, pour chaque flotteur, un passage vertical au
travers duquel le flotteur est mobile axialement ;
- elle comporte des moyens de mise en butée du flotteur contre la
plate-forme, suivant le sens ascendant ;
- le ou chaque flotteur présente un conduit traversant dans lequel
s'étend la colonne montante associée ;
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- les moyens assurant la liaison entre le ou chaque flotteur et la
colonne montante associée compo~e nt une rotule;
- la rotule comporte un siège annulaire concave solidarisé audit
flotteur dans le conduit axial et une collerette à surface convexe portée par
la colonne montante, la collerette étant appliquée contre le siège concave
pour l'application de la traction sur la colonne montante ;
- le conduit traversant a un diamètre supérieur à trois fois le diamè-
tre de la colonne montante ; et
- le mécanisme de traction de tête comporte au moins un vérin hy-
dropneumatique comportant à chaque extrémité un ensemble de poulies
mouflées sur lesquelles est engagé au moins un brin de traction appli-
qué à ladite colonne montante.
L'invention a également pour objet des procédés d'implantation
d'une colonne montante d'une installation du type précité, caractérisé en
ce qu'il comporte les étapes successives consistant à:
a - assurer la mise en butée verticale du flotteur contre la plate-
forme ;
b - immerger la colonne montante avec son extrémité inférieure
maintenue à distance du fond marin
c- ballaster la plate-forme ;
d- descendre la colonne montante et relier celle-ci au fond marin F;
e - dégager la butée entre le flotteur et la plate-forme ; et
f- déballaster la plate-forme.
Suivant un mode particulier de mise en oeuvre le procédé comporte
les étapes consistant à:
a - assurer la mise en butée du flotteur contre la plate-forme ;
b - immerger la colonne montante avec son extrémité inférieure
maintenue à distance du fond marin ;
c- enfoncer vers le bas le flotteur par mise en place d'un lest sur le
flotteur ;
d - descendre la colonne montante et relier celle-ci au fond marin ,
e - dégager la butée entre le flotteur et la plate-forme ; et
f - retirer le lest pesant sur le flotteur.
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L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va
suivre, donnée uniquement à titreLd'exemple et faite en se référant aux
dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en élévation d'une installation d'exploita-
tion pétrolière selon l'invention;
- les figures 2 et 3 sont des vues en coupe respectivement longitu-
dinales et transversales d'un flotteur de traction de la colonne montante de
l'installation de la figure 1;
- la figure 4 est une vue en perspective de moyens de traction de
tête d'une colonne montante;
- les figures 5A, 5B, 5C, 5D et 5E sont des vues schématiques
montrant l'installation pétrolière de la figure 1 à des stades successifs
d'implantation d'une colonne montante; et
- les figures 6A, 6B, 6C, 6D sont des vues analogues aux figures
5A à 5E, illustrant un second procédé de mise en place d'une colonne
montante.
Sur la figure 1, est représentée schématiquement une plate-forme
pétrolière auto-élévatrice 10 de type semi-submersible. Elle est disposée
dans une région de grande profondeur, celle-ci étant par exemple égale à
1300 m.
La plate-forme comporte essentiellement une coque supérieure 12
s'étendant au-dessus de la surface M de la mer, lorsque la plate-forme est
en phase d'exploitation. La coque 12 est reliée, par quatre jambes 14 mu-
nies de caissons de flottabilité 15, à une embase inférieure immergée 16.
La coque supérieure comporte des bâtiments techniques d'habitation non
représentés ainsi qu'un derrick 18. La coque 12 et l'embase 16 sont toutes
deux de forme carrée et comportent en leur centre des conduits traver-
sants 20, 22 destinés au passage d'une colonne montante 24. La colonne
24 est connectée à son extrémité inférieure à un puits d'exploitation.
Sur la figure 1, seule une colonne montante 24 est représentée. En
pratique, plusieurs colonnes montantes sont disposées entre la plate-
forme 10 et le fond marin. Des conduits verticaux analogues aux conduits
20 et 22 sont prévus pour chaque colonne montante.
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Le poids total de chaque colonne montante 24 est par exemple de
100 tonnes. Son diamètre est de 1_9,,pouces soit environ 25 cm.
Des lignes d'amarrage 26, maintenues sous tension, sont installées
entre l'embase immergée 16 et le fond marin pour immobiliser la plate-
5 forme au-dessus du gisement.
Chaque colonne montante 24 est associée à des moyens de mise
sous tension. Selon l'invention, ces moyens de mise sous tension com-
portent, pour chaque colonne montante, au moins un flotteur immergé 28,
relié en un point de la partie courante de la colonne montante pour sa
traction vers la surface, et un mécanisme 30 de traction de la colonne
montante, lequel mécanisme est installé sur la plate-forme 10 et est appli-
qué en tête de la colonne montante 24.
Le flotteur immergé 28 est disposé à la profondeur de l'embase 16.
Il est ainsi monté déplaçable verticalement dans le passage 22.
Sur les figures 2 et 3 est représenté en coupe à plus grande échelle
le flotteur 28 traversant le passage 22.
Comme représenté sur ces figures, le flotteur 28 présente la forme
d'un manchon. La hauteur du flotteur est par exemple de 13 m et son dia-
mètre extérieur est par exemple de 4,5 mètres. Un passage 32 est défini
suivant l'axe du flotteur. La colonne montante 24 est engagée au travers
de celui-ci.
Le diamètre du passage 32 est par exemple de 1,7 m. Il est avan-
tageusement supérieur à trois fois le diamètre courant de la colonne
montante 24.
Le flotteur 28 est constitué d'un caisson tordidal 34 délimité par des
parois métalliques. L'intérieur du caisson est empli d'une mousse synthéti-
que 36 de faible densité. Le caisson 34 est séparé en trois compartiments
distincts par des cloisons radiales 38 s'étendant sur toute la hauteur du
flotteur. Ces cloisons prennent naissance le long de la paroi délimitant le
passage 32 et font saillie radialement hors du caisson 34.
Des moyens 40 de guidage du flotteur suivant la direction verticale
sont prévus entre le flotteur 28 et l'embase 16 de la plate-forme. Ces
moyens de guidage 40 comportent par exemple des patins de glissement
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42 portés par l'extrémité des cloisons radiales 38 faisant saillie hors du
caisson. Ces patins de glissement;xLsont libres de coulisser dans des glis-
sières de guidage 44 disposées longitudinalement suivant le passage 22.
Les glissières de guidage 44 sont par exemple délimitées par des corniè-
res en U s'étendant suivant toute l'épaisseur de l'embase 16 soit environ
m.
Les patins 42 sont continus et s'étendent sur une longueur égale à
celle des glissières de guidage 44. En variante, ceux-ci sont constitués
d'éléments distincts répartis sur la hauteur des cloisons radiales 38.
10 Suivant une autre variante de réalisation non représentée, les posi-
tions des glissières et des patins sont inversées. Les patins, qui sont alors
portés par l'embase, sont solidaires d'une chemise de guidage rapportée
et fixée dans le conduit traversant 22. Lorsque les patins sont usés, la
chemise de guidage est retirée et remplacée par une chemise portant des
patins neufs.
Par ailleurs, des moyens 46 de liaison axiale du flotteur 28 et de la
colonne montante 24 sont prévus dans le passage 32. Ces moyens de
liaison sont formés par un agencement à rotule, permettant un libre dé-
battement angulaire de la colonne montante 24 par rapport au flotteur 28.
Cet agencement à rotule comporte avantageusement un siège an-
nulaire concave 48 solidaire du flotteur 28 et une collerette à surface con-
vexe 50 portée par la colonne montante 24.
Le siège annulaire 48 est disposé avantageusement dans la moitié
inférieure du passage 32. Il définit une surface concave tronconique 52
orientée vers le haut. Celle-ci est destinée à former une surface en cuvette
destinée à l'appui de la collerette 50. Le siège 48 est traversé par un con-
duit 54 adapté pour le passage de la colonne montante 24. Le conduit 54
a par exemple un diamètre de 1 m.
La collerette 50, présente en regard de la surface d'appui 52 une
surface convexe 56, formée par exemple par une couronne sphèrique.
Le plus grand diamètre de la collerette 50 est inférieur au diamètre
du passage 32.
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Dans sa zone de liaison à la collerette 50, la colonne montante 24
présente une surépaisseur, afin dMenforcer sa structure.
Depuis la collerette 50, l'épaisseur de la colonne montante est pro-
gressivement décroissante suivant deux tronçons notés 57, 58 orientés
respectivement vers le haut et vers le bas.
Ces tronçons ont par exemple chacun une longueur de 3 m. Ils
constituent des tronçons d'inertie variable assurant une répartition régu-
lière des contraintes sur toute leur longueur.
Par ailleurs, à la périphérie du passage 22 sont prévues sur la face
supérieure de l'embase 16 trois verrous 60 constituant des butées esca-
motables adaptées pour retenir sélectivement le flotteur 28 et éviter la re-
montée de celui-ci.
Les verrous 60, comportent chacun par exemple un actionneur hy-
draulique commandable depuis la coque 12 ou depuis un engin d'interven-
tion sous-marine télécommandé. Ils permettent la mise en place d'un
penne 64 à l'extrémité supérieure des glissières 44.
Les pennes 64 sont déplaçables entre une position escamotée
dans laquelle ils autorisent un libre coulissement des patins 42 dans les
glissières 44 et une position active de butée telle que représentée sur les
figures 2 et 3, dans laquelle iis interdisent le déplacement vers le haut des
patins 42.
Le flotteur est dimensionné pour appliquer sur la colonne montante
une force de traction comprise entre 1 et 3 fois le poids de la colonne.
Pour une colonne montante 24 ayant un poids de 100 tonnes, i.a force de
traction exercée par le flotteur est par exemple comprise entre 1000 kN et
2000 kN. Avantageusement, cette force de traction est sensiblement égale
à 1500 kN. Dans ces conditions, la force appliquée par le mécanisme de
traction de tête 30 est sensiblement égale à 500 kN.
De manière générale, le flotteur 28 est dimensionné pour appliquer
sur la colonne montante une force de traction supérieure à la force de
traction appliquée par le mécanisme de traction dé tête 30.
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Avantageusement, la force de traction du flotteur est comprise entre
1 et 10 fois la force de traction appiquée par le mécanisme de traction de
tête.
Dans la pratique, le flotteur applique sur la colonne montante une
force de traction sensiblement égale à 3 fois la force de traction appliquée
par le mécanisme de traction de tête 30.
Le dimensionnement du flotteur est effectué pour que la capacité
du mécanisme de traction de tête soit au maximum de 500 kN.
Le mécanisme de traction de tête 30, représenté sur la figure 4
comporte deux vérins hydropneumatiques 70 montés en parallèle.
A chaque extrémité des vérins sont montées quatre poulies mou-
flées notées 72 et 74. Un câble 76 de mise sous tension de la colonne
montante 24 est engagé autour des poulies. Le câble 76 est passé sur
une poulie de renvoi 78 et dirigé vers la tête de la colonne montante à
laquelle elle est fixée.
Les vérins 70 sont alimentés en un fluide hydraulique par un en-
semble de régulations de la pression hydraulique notées 80. La variation
de la pression hydraulique dans les vérins 70 permet la commande de leur
débattement.
L'engagement du câble 76 entre les poulies mouflées 72 et 74 as-
sure une démultiplication du débattement des vérins, de sorte que pour
assurer au niveau de la tête de la colonne montante 24 un débattement
axial de 15,2 m, la course des vérins n'est que de 3,8 m.
Les mécanismes de traction de tête 30 sont intégrés dans l'épais-
seur de la coque 12 comme représenté sur la figure 1. Ainsi, ils n'encom-
brent pas le pont supérieur de la coque 12.
En variante, les moyens 30 de traction de tête sont déportés sur les
parois latérales de la coque, les câbles 76 circulant alors depuis le bastin-
gage jusqu'à la tête de colonne au travers de la coque 12.
On conçoit qu'avec une telle installation, la colonne montante 24 est
sollicitée vers le haut à la fois par le flotteur 28 et par les moyens de trac-
tion de tête 30.
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Ainsi, du fait de la traction exercée par le flotteur 28, la capacité de
traction des moyens 30 peut être{Lréduite. Ainsi, il n'est pas nécessaire
d'utiliser des vérins encombrants ayant une course longue correspondant
au déplacement maximal rencontré entre la tête de la colonne montante et
la plate-forme.
De plus, le diamètre du conduit 32 dans lequel passe la colonne
montante 24 étant très supérieur au diamètre de celle-ci, et la liaison entre
le flotteur et la colonne montante étant assurée par une rotule, la colonne
montante est libre de se déplacer angulairement par rapport au flotteur, ce
qui réduit les contraintes appliquées sur la colonne montante 24.
Sur les figures 5A à 5E est illustré un premier mode de mise en
place d'une colonne montante 24.
Comme représenté sur la figure 5A, la colonne montante 24 est
d'abord immergée avec son extrémité inférieure maintenue à distance du
fond F. Le flotteur 28 est maintenu en butée contre les pennes 64, interdi-
sant ainsi la remontée du flotteur. Dans cette position, la collerette 50 est
sensiblement à la profondeur du siège 48. Le fond du flotteur 28 affleure
sensiblement de fond de l'embase 16.
Lors de l'étape suivante du procédé, la plate-forme 10 est ballastée,
par exemple par remplissage partiel de l'embase 16. Ainsi, la plate-forme
10 s'enfonce d'une profondeur 1 comme indiqué sur la figure 5B. La pro-
fondeur i est par exemple égale à 1,5m. Grâce au derrick 18, la colonne
montante 24 est rappelée vers le haut lors de la descente de la plate-
forme, afin que l'extrémité inférieure de la colonne montante reste écartée
du fond marin F d'un intervalle J et se trouve par exemple à un mètre du
fond. Dans cette position, la collerette 50 est disposée au-dessus du siège
48 et est écartée de celui-ci d'un intervalle K sensiblement égal à 1,5 m.
Après cette étape, et comme représenté sur la figure 5C, la colonne
montante 24 est descendue jusqu'au fond et est connectée sur un puits
d'exploitation préalablement forée et entubée. Lors de cette descente, la
profondeur d'immersion de la plate-forme est maintenue constante.
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Dans cette position, la collerette 50 est écartée du siège 48 d'un
intervalle K' sensiblement égal à 0;5m. Le tronçon de la colonne montante
compris entre son extrémité inférieure et le flotteur est détendu.
La phase suivante du procédé consiste d'abord à lier le mécanisme
5 de traction de tête 30 à la colonne montante 24, puis à déballaster pro-
gressivement la plate-forme, jusqu'à ce que la collerette 50 vienne en ap-
pui sur le siège 48, ainsi que représenté sur la figure 5D. La plate-forme
10 est ainsi remontée de l'intervalle K. Lors du déballastage, le derrick 18
est progressivement relâché pour permettre un déplacement relatif entre
10 la colonne montante et la plate-forme.
Lors du déballastage ultérieur de la plate-forme, le flotteur se dé-
gage des butées 60 puisque celui-ci est retenu par la colonne montante
24. Ainsi, comme représenté sur la figure 5E, la plate-forme poursuit sa
remontée jusqu'à sa position d'exploitation alors que le flotteur 28 reste à
une profondeur constante. Cette seconde phase de remontée correspond
à un intervalle I-K' de hauteur égale à environ 1 m.
Dans cette position, le flotteur 28 exerce une force de rappel vers la
surface de la partie basse de la colonne montante.
Après décollement du flotteur 28 des butées 60, ces dernières sont
escamotées pour permettre un débattement vertical maximal du flotteur
par rapport à l'embase 16.
De même, les moyens de traction de tête 30 sont actionnés afin
d'assurer la traction du tronçon supérieur de la colonne montante 24 com-
pris entre le derrick 18 et le flotteur 28.
On comprend que du fait de la hauteur du flotteur, celui-ci est sus-
ceptible d'effectuer des débattements de grande amplitude par rapport à
l'embase 16 de la plate-forme, tout en étant convenablement guidé par les
moyens de guidage latéraux 40.
Un autre procédé de mise en place d'une colonne montante d'une
installation selon l'invention est illustré aux figures 6A à 6D.
Pour la mise en oeuvre de ce procédé, la coque 12 de la plate-
forme est équipée de treuils 90 permettant de suspendre un lest annulaire
92 au-dessus du flotteur 28. Le lest annulaire 92 est formé de deux demi-
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anneaux assemblés autour de la colonne montante 24. La longueur du
treuil est suffisante pour déposer (%lest 92 sur la surface annulaire supé-
rieure du flotteur 28. De plus, le poids du lest 92 est adapté pour assurer
l'enfoncement du flotteur 28 vers le fond.
Comme dans le mode de réalisation précédent, la colonne mon-
tante 24 est immergée avec son extrémité inférieure maintenue à distance
du fond F. Lors de cette mise en place de la colonne montante, le flotteur
28 est en butée contre les pennes 64.
Le lest 92 est ensuite acheminé jusque sur le flotteur. Ainsi, le flot-
teur 28 est amené à s'enfoncer comme représenté sur la figure 6B,.
Après un enfoncement suffisant du flotteur 28, la colonne montante
est descendue et son extrémité inférieure est connectée sur un puits d'ex-
ploitation de pétrole ainsi que représenté sur la figure 6C. Du fait de l'en-
foncement du flotteur 28, la collerette 50 de la colonne montante est
écartée du siège 48. Dans ces conditions, la colonne montante 24 est
détendue, ce qui permet sa connexion au puits d'exploitation.
Après connexion de l'extrémité inférieure de la colonne montante, le
lest 92 est remonté, comme représenté sur la figure 6D. La butée assurée
par le verrou 60 ayant été dégagée, le flotteur 28 tend à remonter à la
surface, de sorte qu'il exerce sur la colonne montante 24 une force de
traction ascendante appliquée sur la collerette 50.
Suivant ce procédé d'implantation d'une colonne montante mettant
en oeuvre un lest, il n'est pas nécessaire de lester la plate-forme ou le
flotteur, évitant ainsi les transferts d'eau de mer.
