FR2840350A1 - Conduite sous-marine de liaison fond-surface du type multi-catenaire - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet une conduite sous-marine du type riser (1) assurant la liaison entre un support flottant (2) et le fond de la mer (4), ledit riser (1) étant constitué par une conduite rigide de type caténaire s'étendant depuis ledit support flottant (2) jusqu'à un point de contact (5) au fond de la mer (4), caractérisée en ce que ledit riser caténaire comprend une portion inférieure de conduite (6) se terminant audit point de contact (5), portion inférieure de conduite (6) dont le poids linéaire apparent dans l'eau est inférieur à celui du reste (7, 8) de ladite conduite constituant ledit riser caténaire (1).
Description
refroidissement de ltembase ( 11).
CONDUITE SOWS-MARINE DE LIAISON FOND-SURFACE
DU TYPE MULTI-CATENAIRE
La presente invention concerne une installation de liaison fond-surface comprenant au moins une conduite soul-marine assurant la liaison entre un support flottant et le fond de la mer notamment a grande profondeur. Ces conduites soul-marines vent appelees "colonnes montantes" ou "risers" comme explicite ci-apres. Ces risers vent constitues d'elements tubulaires unitaires soudes ou visses entre eux bout a bout realises en materiaux rigides tels que de
I'acier ou en materiau composite.
Plus particulierement, la presente invention a pour objet une conduite sous-
marine du type riser assurant la liaison entre un support flottant et le fond de la mer, ledit riser etant constitue par une conduite rigide de type catenaire s'etendant depuis ledit support flottant jusqu'a un point de contact au fond de la men Le secteur technique de ['invention est le domaine de la fabrication et de ['installation de liaisons fond-surface de production pour ['extraction soul-marine de petrole, de gaz ou autre materiau soluble ou fusible, ou d'une suspension de matiere minerale, a partir de tete de puits immerge pour le developpement de champs de production installes en pleine mer au large des cotes. L'application principale et immediate de 1'invention etant dans le domaine de la production petroliere, ainsi que dans la re-injection d'eau et la production ou re-injection de gaz. Un support flottant comporte en general des moyens d'ancrage pour rester en position malgre les effete des courants, des vents et de la houle. 11 comporte aussi en general des moyens de forage, de stockage et de traitement du petrole ainsi que des moyens de dechargement vers des petroliers enleveurs, ces derniers se presentant a intervalle regulier pour effectuer l'enlevement de la production. L'appellation de ces supports flottants est le terme anglosaxon "Floating Production Storage Offloading" (signifiant "moyen flottant de stockage, de production et de dechargement") dont on utilisera le terme abrege "FPSO"
dans ['ensemble de la description suivante, ou encore "FDPU" ou "Floating Drliling
& Production Unit" (signifiant "moyen flottant de forage et de production"), lorsque le support flottant est aussi utilise pour effectuer les operations de forage avec
puits devie dans la hauteur de la tranche d'eau.
Un riser catenaire selon ['invention peut etre soit un "riser de production" de petrole brut ou de gaz, soit un riser dtinjection d'eau, assurant la liaison avec une
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conduite soul-marine reposant au fond de la mer, soit encore un "riser de forage" assurant la liaison entre le support flottant et une tete de puits localisee au fond de la men Dans les FPSO ou l'on installe en general une multiplicite de lignes, on est s amene a mettre en oeuvre soit des liaisons fond-surface de type tour-hybride, soit
des liaisons de type "chanette".
Lorsque la conduite de liaison fond-surface assure directement la liaison entre un support flottant et un point de contact au fond de la mer qui se trouve decale par rapport a l'axe audit support, ladite conduite prend de par son propre poids une configuration cite de "chanette", formant une courbe dont le rayon de courbure diminue depuis la surface jusqutau point de contact au fond de la mer, et l'axe de ladite conduite forme un angle a avec la verticale dont la valeur varie en general de 10 a 20 degree au niveau du support flottant jusqu'a, theoriquement, degree qu niveau du fond de la mer correspondent a une position theorique
sensiblement tangentielle a l'horizontale comme il sera explicite ciapres.
Les liaisons de type chanette vent en general realisees a ['aide de conduites flexibles, mais leur coGt est extremement eleve en raison de structure complexe
de la conduite.
Ainsi on a ete amene a developper des colonnes montantes sensiblement verticales, de maniere a rapprocher de la surface la liaison souple en configuration de chanette vers le support flottant, ce qui permet de minimiser la longueur de ladite conduite flexible, ainsi que les efforts qui lui vent appliques,
minimisant ainsi considerablement son coOt.
De plus, dans le cas de la production de petrole, ledit petrole brut cheminant sur de tres grandes distances, plusieurs kilometres, on cherche a leur fournir un niveau d'isolation extreme pour, d'une part minimiser ['augmentation de viscosite qui conduirait a une reduction de la production horaire des puits, et d'autre part d'eviter le blocage du flot par depot de paraffine, ou formation d'hydrates des lors que la temperature descend aux alentours de 30-40 C. Ces derniers phenomenes vent d'autant plus critiques, particulierement en Afrique de l'Ouest, que la temperature du fond de la mer est de l'ordre de 4 C et que les petroles
bruts vent de type paraffiniques.
Des lors que la profondeur d'eau atteint et depasse 800-1000m, il devient possible de realiser ladite liaison fond-surface a ['aide d'une conduite rigide a paroi 3s epaisse, car la longueur de la conduite etant considerable, sa souplesse permet d'obtenir une configuration de chanette satisfaisante en restart dans des limites
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de contraintes acceptables.
Ces risers rigides en materiaux resistants de forte epaisseur, en configuration de chanette, vent communement appeles par le terme anglosaxon "Steel Catenary Riser" signifiant "riser en acier en forme de chanette" dont on
s uti lisera le terme abrege "SC R" ou " rise r catenai re" dan s la p resente description
qu'il soit en acier ou en autre materiau tel qu'un materiau composite.
Ces "SC R" ou "risers catenaires" vent beaucoup plus simples a realiser que
les conduites flexibles et done moins onereux.
La courbe geometrique formee par une conduite de poids uniforme en suspension soumise a la gravite, appelee "chanette" est une fonction mathematique de type cosinus hyperbolique (Coshx = (ex + e X)/2, reliant l'abscisse et l'ordonnee d'un point quelconque de la courbe selon les formules suivantes: y = Ro(cOSh(xlRo) - 1) is R = Ro.(Y/Ro + 1)2 dans lesquelles: -x represente la distance dans la direction horizontale entre ledit point de contact et un point M de la courbe, - y represente ['altitude du point M (x et y vent done les abscisses et ordonnees d'un point M de la courbe par rapport a un repere orthonorme dont
l'origine est audit point de contact).
- Ro represente le rayon de courbure au dit point de contact, c'est a dire au point
de tangence horizontale.
- R represente le rayon de courbure au point M (x, y) Ainsi, la courbure varie le long de la chanette depuis la surface, ou son rayon a une valeur maximale RmaX, jusqu'au point de contact, ou son rayon a une valeur minimale Rmin (Ou Ro dans la formule ci-dessus). Sous l'effet des vagues, du vent et du courant, le support de surface se deplace lateralement et verticalement, ce qui a pour effet de soulever ou de reposer la conduite en forme de chanette, au niveau du fond de la men Ainsi, la conduite presente un rayon de courbure qui est maximal au sommet de la chanette, en general, d'au moins 1500, notamment de 1500 a 5000m, c'est a dire au point de suspension sur le FPSO, et qui decro^'t jusqu'au point de contact avec le sol. A cet endroit, le rayon de courbure est minimal dans la portion en suspension. Mais, dans la partie adjacente reposant sur le fond de la mer, ladite conduite etant theoriquement en ligne droite, son rayon de courbure est
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theoriquement infini. En fait ledit rayon n'est pas infini mais extremement eleve,
car il subsiste une courbure residuelle.
Ainsi, au gre des mouvements du support flottant en surface, le point de contact se deplace d'avant en arriere et, dans la zone soulevee ou reposee sur le S fond, le rayon de courbure passe successivement d'une valeur minimale Rmjn a une valeur extremement elevee, voire infinie dans le cas d'une configuration theorique ou la conduite soul-marine repose sur le fond de la mer sensiblement
en ligne droite.
Ces flexions alternatives creent des phenomenes de fatigue concentres dans toute la zone de pied de chanette et la duree de vie de telles conduites est fortement reduite et en general incompatible avec les durees de vie recherchees
pour les liaisons fond-surface, c'est a dire 20-25 ens, voire plus.
De plus, on observe que durant ces mouvements alternatifs du point de contact, la raideur de la conduite, associee a la courbure residuelle mentionnee precedemment, va dans le temps creuser un sillon sur toute la longueur soulevee puis reposee et creer une zone de transition dans laquelle existera un point dtinflexion ou le rayon de courbure, minimal en pied de chanette, changera alors de sens dans ladite zone de transition, et cro^'tra pour atteindre enfin une valeur infinie dans la portion de conduite soul-marine reposant en ligne droite sur le fond de la men Ces mouvements repetes sur de longues periodes creeront un sillon d'autant plus important dans les sols peu consolides que l'on rencontre couramment en grande profondeur, ce qui aura pour effet de modifier la courbure de la chanette et conduire, si le phenomene s'amplifie, a des risques d'endommagement des conduites, soit au niveau des conduites soul- marines reposant au fond de la mer, soit au niveau des SCR assurant la liaison entre ces conduites soul-marines
reposant au fond de la mer et la surface.
La portion la plus critique de la chanette se situe done dans la portion proche du point de contact et, la plus grande partie des efforts dans cette partie basse de la chanette vent en fait engendres par les mouvements propres du support flottant et par les excitations qui surviennent dans la partie haute de la chanette soumise au courant et a la houle, I'ensemble de ces excitations se propageant alors mecaniquement tout le long de la conduite jusqu'au pied de chanette. Les courants situes au niveau du fond marin, ainsi que ['influence de la houle a cette profondeur, vent connus pour etre falbles et ne creent pas d'efforts s 2840350
hydrodynamiques significatifs sur la partie basse de la chanette.
Le support flottant en surface possede une flottabilite considerable et reste peu sensible aux charges verticales engendrees par les chanettes en suspension sur son borde, par contre, la tension horizontale H creee par chacune des chanettes doit etre contrebalancee, soit par une repartition equilibree sur babord et tribord de ['ensemble des chanettes, soit par un renforcement de l'ancrage du
support flottant, du cote oppose aux charnettes.
On conna^'t le brevet EP 0 952 301 qui decrit un FDPU associe a une liaison fond-surface en chanette, a travers laquelle passe le train de tige de forage, ladite liaison fond-surface servant non seulement de guide, mais aussi de chemin de retour pour les boues de forage chargees des debris audit forage. Dans la partie basse de ladite liaison fondsurface, la courbure est la plus accentuee, le train de tige en rotation frotte sur la paroi de la liaison fond-surface risquant
d'endommager, voire de detruire cette derriere.
Ainsi le probleme pose est de fournir une conduite soul-marine de liaison fond-surface capable de resister a la fatigue cumulee au niveau du point de contact avec le fond de la mer, creee par les mouvements du support de surface, ainsi que par les effete de la hou le et du cou rant, p rincipalement dans la zone proche de la surface ou les effete de ladite houle et audit courant vent en general
les plus importants.
Ce probleme est encore accentue des lors que la structure de Gonduite integre un systeme d'isolation a hautes performances, ce dernier rendant alors la conduite encore plus sensible aux problemes de fatigue en raison de la
complexite de sa structure interne.
Ainsi, un autre probleme pose est de fournir une conduite de liaison fond surface dont la tension horizontale au niveau audit point de contact avec la mer et au niveau audit support flottant est la plus falble possible, minimisant ainsi le desequilibre cree au niveau de l'ancrage du support flottant et des phenomenes
de creation de sillons au niveau audit point de contact.
Un autre probleme pose est de fournir une conduite de liaison fondsurface du type riser de forage presentant des caracteristiques mecaniques ameliorees pour notamment diminuer les risques d'endommagement du riser cause par les trains de tiges en rotation introduits dans le riser et frottant sur la paroi interne
audit riser.
Une solution aux problemes poses est une conduite soul-marine du type riser assurant la liaison entre un support flottant et le fond de la mer, ledit riser
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etant constitue par une conduite rigide de type catenaire s'etendant depuis ledit support flottant jusqu'a un point de contact au fond de la mer, caracterisee en ce que ledit riser catenaire comprend une portion inferieure de conduite se terminant audit point de contact, portion inferieure de conduite dont le poids lineaire S apparent dans lteau est inferieur a celui du reste de ladite conduite constituent
ledit riser catenaire.
La conduite catenaire selon ['invention comprend done au moins deux portions de conduite correspondent a deux courbes en chanette differentes, elle
est done appelee conduite multi-catenaire.
Plus particulierement, ladite portion inferieure de conduite allegee s'etend
sur une longueur d'au moins 1 00m depuis ledit point de contact.
L'allegement de ladite portion inferieure de conduite par rapport au reste de la conduite a pour effet d'augmenter de maniere significative le rayon de courbure Ro en partie basse au niveau du point de contact avec le fond de la mer, par rapport a ce qu'il serait avec une conduite presentant les caracteristiques de ladite partie courante dans la portion inferieure de conduite. Cette augmentation du rayon de courbure minimal au niveau du point de contact a pour effet de reduire considerablement les phenomenes de fatigue ainsi que les phenomenes de creusement de sillons. En effet, lors des mouvements d'avant en arriere de la chanette, la portion de conduite est alternativement flechie pour atteindre le rayon de courbure minimal, puis remis sensiblement en ligne droite, ce qui, du fait que le rayon minimal est plus important, engendre des contraintes alternees beaucoup plus faible dans le dispositif selon ['invention par rapport a l'art anterieur, reduisant ainsi la fatigue tout au long de la duree de vie qui excede en general 25 annees. De plus, le sillon cree en pied de chanette par la courbure residuelle sera moins accentue, ce qui ameliore d'autant la tenue dans le temps de la liaison fond-surface. De preference, pour des profondeurs superieures a 1000m, la cite portion
inferieure de conduite allegee s'etend sur une longueur de 200 a 600m.
Plus particulierement, ladite portion de conduite inferieure est allegee avec un poids lineaire apparent inferieur dans l'eau d'au moins 25%, de preference inferieur de 25 a 80% par rapport a la partie du reste de la conduite qui lui est adjacente. On peut egalement creer une cite portion inferieure de conduite selon I'invention presentant un poids lineaire apparent inferieur au reste de la conduite en alourdissant une portion superieure de la conduite stetendant depuis ledit
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support flottant.
Avantageusement, une conduite multi-catenaire selon ['invention comprend done une portion superieure de conduite qui s'etend depuis ledit support flottant, ladite portion superieure de conduite etant alourdie de maniere a presenter un poids lineaire apparent superieur a celui de ladite partie du reste de la conduite qui lui est adjacente. Ia masse L'alourdissement de ladite portion superieure de conduite a pour effet d'augmenter le poids apparent dans l'eau de la conduite a ce niveau et done, d'augmenter la tension dans ladite conduite et ainsi de diminuer l'inclinaison de I'axe de la conduite par rapport a la verticale au niveau de la jonction au support flottant; de plus, I'augmentation de la masse de ladite conduite augmente la stabilite de ladite portion superieure de conduite, qui devient alors moins sensibles
aux effete du courant et de la houle.
L'excitation en tete de la conduite etant reduite, sa repercussion en pied, au niveau du point de contact est moins importante, ce qui reduit d'autant les mouvements et done la fatigue de la portion inferieure de conduite qui est la
portion critique de la liaison fond-surface comme mentionne precedemment.
De preference, ladite portion superieure de conduite alourdie s'etend sur une tranche d'eau correspondent a au moins la zone d'influence de la houle, c'est a dire de preference 150 a 200m. Dans cette zone, on observe en general des courEnts importants, ces derniers etant en general sensibleme!nt uniformes dans des tranches d'eau correspondent a des thermoclines. On augmente ainsi la masse et le poids de la conduite dans la tranche d'eau superieure qui constitue la
zone la plus perturbee de la liaison fond-surface.
Dans un mode de realisation, ladite portion superieure de conduite alourdie presente un poids lineaire apparent superieur d'au moins 50% a celui de la partie courante de conduite adjacente a ladite portion superieure, de preference ledit poids lineaire apparent est superieur de 100 a 300% a celui de ladite partie du
reste de la conduite qui lui est adjacente.
Lorsque ladite conduite multi-catenaire selon ['invention assure la liaison avec un fond situe a une profondeur d'au moins 1 000m et ladite portion superieure de conduite alourdie s'etend, de preference, sur une longueur de 150 a
250 m depuis la surface.
Dans un mode prefere de realisation, on combine portion superieure de conduite alourdie et portion inferieure de conduite allegee: a) une cite portion superieure de conduite alourdie qui s'etend depuis ledit support flottant jusqu'a l'extremite haute d'une partie mediane de la conduite et dont le poids lineaire apparent est superieur a celui de ladite portion de conduite mediane, et b) une cite portion inferieure de conduite aliegee qui s'etend depuis I'extremite basse de ladite portion mediane de conduite jusqu'audit point de contact au fond de la mer et dont le poids lineaire apparent est inferieur a celui de
ladite portion mediane de conduite.
Plus particulierement, lorsque ladite conduite multi-catenaire selon ['invention assure la liaison entre un support flottant en surface et le point de contact au fond de la mer situe a une profondeur d'au moins 1000 m, elle presente: a) une cite portion superieure de conduite alourdie s'etendant sur une longueur de 150 a 250 m depuis ledit support flottant, correspondent a un alourdissement de 100 a 300% par rapport a une cite portion mediane de conduite adjacente, et b) une cite portion mediane de conduite dont la longueur est comprise entre et 120% de la hauteur d'eau entre la surface et ledit point de contact, et c) une cite portion inferieure de conduite allegee de poids lineaire apparent inferieur de 25 a 80% par rapport a celui de ladite portion mediane de conduite correspondent a la partie courante de ladite conduite, et s'etendant sur une
longueur de 200 a 600m depuis ledit point de contact.
- Selon une variante avantageuse de realisation, ladite portion inferieure de conduite est allegee par une augmentation de sa flottabilite a ['aide d'elements de
flottabilite, de preference des flotteurs entourant ladite conduite.
Plus particulierement, la conduite multi-catenaire selon ['invention est constituee par une conduite de type "pipe in pipe" comprenant deux conduites interne et externe coaxiales et presentant des elements de flottabilite associes a ladite conduite, de preference isolants, de preference encore constitues par de la
mousse syntactique autour de ladite conduite externe.
Selon une autre variante avantageuse de realisation, ladite conduite multi catenaire comprend une cite portion superieure de conduite alourdie s'etendant depuis ledit support flottant, ladite portion superieure de conduite etant alourdie du fait que l'epaisseur de paroi tubulaire de conduite en acier est superieure a celui du reste de la conduite, avec notamment des cerces complementaires ou des masses localisees pouvant etre rendus solidaires, a intervalles reguliers ou non
de ladite conduite alourdie.
La presente invention permet de realiser des conduites plus resistantes qui
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presente une epaisseur de paroi tubulaire superieure a l'epaisseur de paroi de ladite partie du reste de la conduite qui lui est adjacente, mais dont ladite portion
inferieure de conduite est allegee par des elements flottants.
Dans un mode prefere de realisation, une conduite multi-catenaire selon I'invention comprend au moins une portion de conduite de transition qui assure le raccordement entre l'extremite haute de ladite portion inferieure de conduite et le reste de la conduite, ladite portion de conduite de transition presentant un poids lineuire apparent intermediaire et, de preference dont la valeur varie progressivement par palier ou regulierement entre la valeur du poids lineaire apparent de ladite portion inferieure de conduite et la valeur du poids lineaire apparent de la partie courante de conduite qui lui est adjacent a son autre extremite. Une conduite selon ['invention peut done comprendre les portions de conduite successives suivantes: a) une portion superieure de conduite alourdie, b) une premiere portion de conduite de transition, c) une portion de conduite mediane, d) une deuxieme portion de conduite de transition, et
e) une portion inferieure de conduite allegee.
La variation progressive du poids lineaire apparent desdites portions de conduite de transition peut etre obtenue par une variation progressive de l'epaisseur de leur paroi tubulaire en acier ou par une variation progressive de leur
flottabilite en faisant varier la quantite de mousse syntactique.
Ainsi, pour realiser ces cites portions de conduite de transition a variation progressive par palier du poids lineaire apparent, on peut utiliser un ou plusieurs elements de conduite unitaires dont le poids apparent, notamment l'epaisseur, est uniforme pour chaque element unitaire mais avec des valeurs intermediaires entre
celles des elements unitaires adjacents.
Ces portions de conduite de transition peuvent done s'etendre sur des longueurs de 12, 24 ou 48 m, elles permettent d'eviter des ruptures brusques d'inertie prejudiciables a un bon comportement dans le temps vis a vis de la
fatigue de la conduite de liaison fond-surface.
Dans un mode de realisation avantageux, ladite conduite multi-catenaire selon ['invention constitue un riser de forage assurant la liaison entre un derrick place sur ledit support flottant et une tete de puits au fond de la mer ou, de preference, I'extremite d'une conduite soul-marine reposant au fond de la mer, o 2840350
elle-meme connectee a son autre extremite a une cite tete de putts.
D'autres caracteristiques et avantages de la presente invention appara^rtront a la lu m iere detail lee des modes de real isation qu i vont su ivre, en reference aux figures 1 a 3. La figure 1 est une vue de cOte d'une conduite en configuration de chanette simple 1a' suspendue a un support flottant 2 de type FPSO, et dont l'extremite inferieure repose sur le fond de la mer, representee dans trots positions
differentes 1 a, 1 b, 1 c.
La figure 2 est une coupe en vue de cote detaillant la tranchee creusee par le pied de chanette lors des mouvements de soulevement et de repos de la
conduite sur le fond marin.
La figure 3 est une vue de cOte d'une conduite en configuration de chanette simple 1a' suspendue a un support flottant de forage et d'exploitation de type FDPU, et dont ltextremite inferieure repose sur le fond de la mer avant de penetrer
dans le sol pour atteindre les nappes petroliferes.
Les figures 4 et 5 vent des vues de cote d'un support flottant FPSO auquel est suspendue une conduite multi-catenaire selon ['invention 1 presentant trots
courbes en chanette (8, 7, 6).
La figure 6 represente une vue de cOte, en coupe eclatee, de la zone de
transition entre la portion superieure de conduite 8 et la portion intermediaire 7.
La figure 7 represente, en vue de cOte, I'allegement de la partie inferieure au
moyen de flotteurs continus ou repartis autour de la conduite.
Dans la figure 1 on a represente en vue de cote une liaison fond-surface 1a' selon l'art anterieur, suspendue en 3 a un support flottant 2 de type FPSO, et
reposant sur le fond de la mer 4 au niveau du point de contact 5.
La courbure varie le long de la chanette depuis la surface, ou son rayon a une valeur maximale RmaX, jusqu'au point de contact, ou son rayon a une valeur minimale Rmjn. Sous l'effet des vagues, du vent et du courant, le support de surface 2 se deplace, par exemple de gauche a droite comme represente sur la figure, ce qui a pour effet de soulever ou de reposer la conduite en forme de chanette, au niveau du fond de la men Dans la position 2c le support flottant s'ecarte de la position normale 2a, ce qui a pour effet de tendre la chanette 1c en la soulevant, et de deplacer le point de contact 5 vers la droite; le rayon de courbure Rmjn en pied de chanette augmente, de meme que la tension horizontale Ha au niveau audit point de contact, ainsi que la tension dans la conduite au niveau audit support flottant. De la meme maniere, dans la position 2b, le deplacement vers la droite du support flottant a pour effet de detendre la chanette 1b et de reposer une partie de la conduite sur le fond de la men Le rayon Rmjn au niveau du point de contact 5 decro^'t, de meme que la tension horizontale Hb dans la conduite au meme point, ainsi que la tension dans la conduite au niveau audit support flottant. Cette reduction du rayon de courbure en 5b cree des contraintes internee considerables au sein de la structure de la conduite ce qui engendre des phenomenes de fatigue cumules pouvant conduire
a la wine de la liaison fond-surface.
Ainsi, la conduite presente un rayon de courbure qui est maximal au sommet de la chanette, c'est a dire au point de suspension 3 sur le FPSO, et qui decro^'t jusqu'au point de contact 5 avec le sol 4. A cet endroit, le rayon de courbure est minimal dans la portion en suspension, mais dans la partie adjacente reposant sur le fond de la mer, ladite conduite etant theoriquement en ligne droite, son rayon de courbure est theoriquement infini. En fait ledit rayon n'est pas infini mais
extremement eleve, car il reste une courbure residuelle.
Ainsi, comme explique precedemment, au gre des mouvements du support flottant en surface 2, le point de contact 5 se deplace de droite a gauche et, dans la zone soulevee ou reposee sur le fond, le rayon de courbure passe successivement d'une valeur minimale Rmjn a une valeur extremement elevee, voire infinie dans le cas d'une configuration sensiblement en ligne droite. -: Ces flexions alternatives creent des phenomenes de fatigue concentres en dans toute la zone de pied de chanette et la duree de vie de telles conduites est fortement reduite et en general incompatible avec les durees de vie recherchees
pour les liaisons fond-surface, c'est a dire 20-25 ens, voire plus.
De plus, comme illustre dans la figure 2, on observe que durant ces mouvements alternatifs du point de contact, la raideur de la conduite, associee a la courbure residuelle mentionnee precedemment, va dans le temps creuser un sillon 12 sur toute la longueur soulevee puis reposee, et creer ainsi une zone de transition dans laquelle existera un point d'inflexion 11, ou la courbure change de sens dans les zones de transition 1 1 a-11 b, pour atteindre enfin une valeur infinie dans la portion de conduite soul-marine reposant en ligne droite sur le fond de la mer, ladite portion n 'etant sou levee que de man iere exception n elle, par exem ple lors du cumul maximal dans la meme direction, vers la gauche, detous les elements perturbateurs (houle-vent-courant) agissant sur le support flottant et sur la chanette, ou encore lors de ['apparition de phenomenes de resonance au
12 2840350
niveau de la chanette elle-meme.
La figure 4 represente en vue de cote une chanette a courbure multiple selon ['invention constituee, dans sa partie superieure, d'une portion de conduite alourdie 8 par rapport a la partie courante 7 situee juste en dessous et en S continuite, et dans sa partie inferieure, d'une portion de conduite allegee 6 par rapport a ladite partie courante 7. De cette disposition selon ['invention, il en resulte que le rayon de courbure Ro en partie basse augmente de maniere significative, ce qui reduit considerablement les phenomenes de fatigue explicites precedemment. De plus, la portion superieure 8 etant alourdie presentera une tension superieure, ce qui augmentera d'autant la stabilite de la partie superieure de ladite chanette, qui deviendra alors moins sensible aux effete du courant et de la houle, cette derriere ayant des effete significatifs jusqu'a des profondeurs de 100 a m de la surface. L'excitation en tete etant reduite, leur repercussion en pied 5 de chanette est moins importante, ce qui reduit d'autant les mouvements, done la
fatigue dans cette portion inferieure critique 6 de la liaison fondsurface.
A titre d'illustration, une chanette simple 1a (figures 1 et 5) installee par 1200m de profondeur d'eau, est constituee d'une conduite de type "pipe in pipe" de diametre exterieur 323.85mm, de poids lineaire apparent dans l'eau co = 177.42 kg/m et presentant un rayon de courbure Ro (=Rmjn) au niveau du point de contact 5 de Ro 500m, correspondent a un comportement acceptable dans le temps de la conduite vis a vis de la fatigue. La tension horizontale H au niveau du point de contact est H=89 tonnes et ['angle en tete est = 17.1 degree vis a vis de
la verticale.
2s Le support flottant 2 en surface est done lui aussi soumis a un meme effort de tension horizontale a l'autre extremite de la conduite, soit H=89 tonnes et son
ancrage du cote oppose a la liaison fond-surface doit etre renforce d'autant.
Une conduite multi-catenaire 1 selon ['invention, c'est a dire, constituee ici de trots courbes en chanettes differentes (figures 4 et 5) est constituee: À d'une portion mediane 7 de la conduite precedemment decrite, sur une longueur de 1000m, À d'une portion superieure 8 alourdie de 200m de longueur suspendue au support flottant 2, alourdie par augmentation de l'epaisseur d'acier pour atteindre un poids lineaire apparent dans l'eau c= 440.45 kg/m, et, À d'une portion inferieure 6 de conduite allegee par ajout d'elements flottants de type mousse syntactique pour atteindre le poids lineaire apparent dans l'eau
13 2840350
co = 68.13 kg/m.
La portion inferieure 6 presente un rayon de courbure au niveau du point de
contact Ro = 733.9m, ce qui conduit a une tension horizontale de 50 tonnes.
Le tableau ci-dessous compare les principaux resultats relatifs a la conduite
S en chanette simple et a la conduite multi-catenaire selon ['invention.
Profondeurd'eau: t200m Conduite simple Conduite multi-catenaire Ro au poinf de contacf: 500 m 733.9 m Tension horizontale H: 89 tonnes 50 tonnes angle en tete OC: 17.1 deg 9.6 deg tension en tete T: 301.6 tonnes 300.5 tonnes distance du support flotteur au point de contact 5: 947 m 903.8 m En regle generale, et a titre illustratif mais non limitatif, on utilise une portion superieure 8 d'une longueur de 150 a 250m alourdie de 100 a 300% par rapport a la portion courante mediane 7 situee juste en dessous, la longueur de la portion courante mediane 7 etant par exemple comprise entre 75 et 120% de la hauteur d'eau, la portion inferieure de conduite 6 etant allegee de 25 a 80% par rapport a la partie courante mediane 7, et representant une longueur de 200 a 600m, se prolongeant sur le fond de la mer 4 au dela du point de contact 5 sur plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de metres. Ainsi, lors des deplacements d'avant en arriere du support flottant 2, la portion inferieure 6 de la charnette soulevee est toujours du type allege et non pas du type correspondent a la
conduite soul-marine reposant sur le fond de la mer et reliant les fetes de putts.
Une conduite multi-catenaire 1 selon ['invention presente done les avantages suivants: À Ie rayon de courbure Ro en pied de chanette est augmente d'environ 50%, ce qui fournit a la conduite un comportement en fatigue dans le temps considerablement ameliore, À I'effort de tension horizontal au point de contact, et done lteffort de tension horizontal en tete sur le support flottant vent divises sensiblement par deux, reduisant ainsi drastiquement le desequilibre de l'ancrage audit support flottant 2, Ie desaxement de l'axe de la conduite vis-a-vis de la verticale se trouve considerablement reduit, I'angle de l'axe de la conduite par rapport a la
14 2840350
verticale au niveau du support flottant etant oc= 9,6 au lieu de = 17,1 par
rapport a une conduite 1 a de la technique anterieure.
Dans la figure 3 on a represente en vue de cote un support flottant 3 de type FDPU comportant une liaison fond-surface 1 a en configuration de chanette s appelee riser de forage reliant la base du derrick 2, de forage jusqu'a un dispositif situe sur le fond de la mer, ledit dispositif assurant le guidage de la conduite dans la zone de penetration du fond marin. Ledit riser de forage 1a a pour fonction de guider le train de tige actionne et manipule a partir audit derrick de forage 2, le retour de boue de forage s'effectuant dans l'espace existent entre ledit train de tige et ledit riser de forage. Dans l'art anterieur, le train de tige etant fortement courbe dans la partie basse de la chanette a tendance a frotter sur les parois du riser de forage, augmentant ainsi de maniere importante l'usure et les risques d'endommagement audit riser. La conduite multi-catenaire selon ['invention permet ainsi, non seulement de reduire les problemes de fatigue de la zone de pied de riser par augmentation du rayon de courbure en pied, mais aussi de reduire l'usure interne audit riser de forage sous l'effet de la friction du train de tige en rotation avec la paroi audit riser. La fatigue du train de tige lui-meme, par reduction de la courbure dans la zone de pied de chanette du riser de forage se trouvera ainsi considerablement reduite; de la meme maniere, la puissance
necessaire au forage proprement dit sera radicalement reduit.
Le dispositif selon ['invention permet ainsi d'ameliorer la tenue en fatigue du riser de forage dans la zone du pied de chanette, de reduire les phenomenes d'usure par le train de tiges de forage en rotation a l'interieur audit riser et d'ameliorer de maniere significative l'alignement, au niveau du FDPU, entre ledit
riser de forage et ledit derrick.
Dans le cas ou la conduite multi-catenaire selon ['invention est un riser de forage qui s'etend depuis un support flottant avec derrick 2 du type FDPU, on augmente avantageusement l'alourdissement et la longueur de la portion superieure 8, de maniere a reduire au maximum ['angle o: que fait la verticale et I'axe de la conduite au niveau du support flottant 2, et done de maniere a reduire le desaxement de l'axe de la conduite par rapport a l'axe du derrick 2,, ce qui
facilite ['introduction des tiges de forage et les operations de forage en general.
De la meme maniere, on augmente avantageusement l'epaisseur d'acier de la portion inferieure 6 du riser pour reduire les risques d'usure par frottement du train de tiges de forage, dans la mesure ou on compense ce poids supplementaire par une augmentation des elements flottants, par exemple des coquilles de s 2840350 mousse syntactique, pour obtenir un poids moyen dans l'eau tel que decrit precedemment. Au niveau du raccordement entre deux types de chanette, on evite de creer un changement brusque d'inertie prejudiciable a un bon comportement dans le s temps vis a vis de la fatigue, de la liaison fond-surface et l'on incorpore avantageusement des portions de conduite de transition en 9,, 92, par exemple sur une longueur de 12, 24 ou 48m de longueur, consistent en une augmentation progressive ou par palier de l'epaisseur de la conduite depuis la partie basse vers la partie haute, et/ou une integration progressive d'elements de flottabilite de sorte que la partie basse cite "conduite de transition" soit plus legere que la partie haute
de ladite conduite de transition.
Dans la figure 6 on a represente la zone de transition 9, entre la portion superieure constituee d'une conduite 8 alourdie par augmentation de l'epaisseur de sa paroi 11, ainsi que par le rajout de cerces 12 espacees de maniere reguliere ou non, et la portion de conduite 7 correspondent a la zone intermediaire presentant une epaisseur de paroi 112, ladite transition etant assuree par une longueur de 24m de conduite 9, d'epaisseur 1547, ladite epaisseur etant comprise entre les valeurs 11 et 112, de preference egale a la moyenne des deuxdites valeurs. On reste dans ['esprit de ['invention quand on augmente la masse lineaire de - i: la conduite au moyen de charges localisees accrochees a la conduite, reparties, uniformement ou non, le long de portion de conduite superieure 8, en remplacement ou en combinaison avec ['augmentation d'epaisseur 11, ou les
cerces 12 decrites precedemment.
Dans la figure 7, on a represente la portion de conduite allegee 6 equipee, sur la partie gauche d'un element de flottabilite continu de grande longueur 10, constitue de coquilles de mousse syntactique, et sur la partie droite, d'elements de flottabilite individuals 1 O2 regulierement espaces et donnant une meme
flottabilite moyenne par metre de conduite que ledit element continu 10.
Claims (15)
1. Conduite soul-marine du type riser (1) assurant la liaison entre un support flottant (2) et le fond de la mer (4), ledit riser (1) etant constitue par une conduite rigide de type catenaire setendant depuis ledit support flottant (2) jusqu'a un point de contact (5) au fond de la mer (4), caracterisee en ce que ledit riser catenaire comprend une portion inferieure de conduite (6) se terminant audit point de contact (5) , portion inferieure de conduite (6) dont le poids lineaire apparent dans l'eau est inferieur a celui du reste (7, 8) de ladite conduite
constituent ledit riser catenaire (1).
2. Conduite selon la revendication 1, caracterisee en ce que ladite portion inferieure de conduite allegee (6) stetend sur une longueur d'au moins
1 00m depuis ledit point de contact (5).
3. Conduite selon la revendication 1 ou 2, caracterisee en ce quelle assure la liaison avec un fond a une profondeur d'au moins 1000m et ladite
portion inferieure de conduite allegee (6) s'etend sur une longueur de 200 a 600m.
4. Conduite selon l'une des revendications 1 a 3, caracterisee en ce
que ladite portion de conduite inferieure (6) est allege avec un poids lineeire apparent dans lteau inferieur d'au moins 25%, de preference de 25 a 80% par
rapport a la partie du reste de la conduite qui lui est adjacente (7).
5. Conduite selon l'une des revendications 1 a 4, caracterisee en ce
qu'elle comprend une portion superieure de conduite (8) qui s'etend depuis ledit support flottant (2), ladite portion superieure de conduite (8) etant alourdie de maniere a presenter un poids lineaire apparent superieur a celui de ladite partie du
reste de la conduite qui lui est adjacente (7).
6. Conduite selon la revendication 5, caracterisee en ce que ladite portion superieure de conduite alourdie (8) setend sur une tranche d'eau correspondent a au moins la zone d'influence de la houle, de preference de 150 a m.
7. Conduite selon l'une des revendications 5 ou 6, caracterisee en ce
que ladite portion superieure de conduite alourdie (8) presente un poids lineaire apparent superieur d'au moins 50% a celui de la partie du reste de la conduite adjacente (7) a ladite portion superieure, de preference le poids lineaire apparent est superieur de 100 a 300% a celui de ladite partie du reste de la conduite qui lui
est adjacente (7).
8. Conduite selon l'une des revendications 5 a 7, caracterisee en ce
qu'elle assure la liaison avec un fond (4) situe a une profondeur d'au moins 1000m et ladite portion superieure de conduite alourdie (8) s'etend sur une longueur de
a 250 m depuis la surface.
9. Conduite selon l'une des revendications 1 a 8, caracterisee en ce
qu'elle presente: a) une cite portion superieure de conduite alourdie (8) qui s'etend depuis ledit support flottant jusqu'a l'extremite haute d'une partie mediane de la conduite (7) et dont le poids lineaire apparent est superieur a celui de ladite portion de conduite mediane (7), et b) une cite portion inferieure de conduite allegee (6) qui s'etend depuis I'extremite basse de ladite portion mediane de conduite (7) jusqutaudit point de contact (5) au fond de la mer (4) et dont le poids lineaire apparent est inferieur a
celui de ladite portion mediane de conduite (7).
10. Conduite selon la revendication 9, caracterisee en ce qu'elle assure la liaison entre un support flottant (2) en surface et le point de contact (5) au fond de la mer (4) situe a une profondeur d'au moins 1000 m et elle presente: a) une cite portion superieure de conduite alourdie (8) s'etendant sur une longueur de 150 a 250 m depuis ledit support flottant, correspondent a un alourdissement de 100 a 300% par rapport a une cite portion mediane de conduite (7) adjacente, et b) une cite portion mediane de conduite (7) dont la longueur est comprise entre 75 et 120% de la hauteur d'eau entre ladite surface et ledit point de contact (5), et c) une cite portion inferieure de conduite allegee (6) de poids lineeire apparent inferieur de 25 a 80% par rapport a celui de ladite portion mediane de conduite (7) correspondent a la partie courante de ladite conduite, et s'etendant
sur une longueur de 200 a 600m depuis ledit point de contact.
11. Conduite selon l'une des revendications 1 a 10, caracterisee en ce
que ladite portion inferieure de conduite (6) est allegee par une augmentation de sa flottabilite a ['aide d'elements de flottabilite associes a ladite conduite, de preference des flotteurs (10,, 102) entourant ladite conduite (1), de preference
encore constitues de mousse syntactique.
12. Conduite selon la revendication 11, caracterisee en ce qu'elle est constituee par une conduite "pipe in pipe" comprenant deux conduites interne et externe coaxiales et presentant des elements de flottabilite de preference isolants, de preference encore constitues par de la mousse syntactique autour de ladite
conduite externe.
13. Conduite selon l'une des revendications 1 a 12, caracterisee en ce
qu'elle comprend une cite portion superieure de conduite alourdie (8) s'etendant depuis ledit support flottant (2), ladite portion superieure de conduite (8) etant alourdie du fait que l'epaisseur de paroi tubulaire (11, 12) de conduite en acier est
superieure a celle (112) du reste de la conduite (7, 8).
ri. -.
14. Conduite selon l'une des revendications 1 a 13, caracterisee en ce
que ladite portion inferieure de conduite allegee (6) est allegee par des elements de flottabilite (10) et presente une epaisseur de paroi tubulaire superieure a
I'epaisseur de paroi de ladite partie de conduite qui lui est adjacente (7).
15. Conduite selon l'une des revendications 1 a 14, caracterisee en ce
qu'elle comprend au moins une portion de conduite de transition (9,, 92) qui assure le raccordement entre l'extremite haute de ladite portion inferieure de conduite (6) et le reste de la conduite (7, 8), ladite portion de conduite de transition (9', 92) presentant un poids lineaire apparent intermediaire et, de preference variant progressivement par palier ou regulierement entre la valeur du poids lineaire apparent de ladite portion inferieure de conduite (6) et la valeur du poids lineaire apparent de la partie du reste de la conduite qui lui est adjacente a son
autre extremite.
go. Conduite salon l'une des mvendlcations 1 15, caractArisde en ce qu'elle conitue an riser de forage assurant la Neon entre an derrick (20 place sur Edit support doMant (2) at une tote de pugs au fond de la mar (4) ou, de pence, FemitA (5) d'une conduce sous-mahne reposant au fond de la mar
Q -mime connede son autm -m#d One tee de pugs (50.
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