EP2268887B1 - Element de conduite de transition d'inertie notamment pour encastrement d'une conduite rigide sous-marine - Google Patents

Element de conduite de transition d'inertie notamment pour encastrement d'une conduite rigide sous-marine Download PDF

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EP2268887B1
EP2268887B1 EP09745929.1A EP09745929A EP2268887B1 EP 2268887 B1 EP2268887 B1 EP 2268887B1 EP 09745929 A EP09745929 A EP 09745929A EP 2268887 B1 EP2268887 B1 EP 2268887B1
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EP
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pipe
pipe element
rigid
inertia
riser
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François-Régis PIONETTI
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Publication date
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    • E21B17/017—Bend restrictors for limiting stress on risers
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    • E21B43/108—Expandable screens or perforated liners

Definitions

  • the present invention relates to an inertial transition pipe element, more particularly intended to be assembled at the end of an underwater rigid pipe, in particular a rigid riser vertical riser type pipe.
  • the present invention relates more particularly to an installation of production risers for the underwater extraction of oil, gas or other soluble or fusible material or a suspension of mineral material from submerged wellheads. up to a floating support, for the development of production fields installed offshore at sea.
  • the main and immediate application of the invention being in the field of oil production.
  • the floating support generally comprises anchoring means to remain in position despite the effects of currents, winds and waves. It also generally includes oil storage and processing means as well as means of unloading to removal tankers, the latter occurring at regular intervals to carry out the removal of the production.
  • the common name of these floating supports is the Anglo-Saxon term “Floating Production Storage Offloading” (meaning “floating medium of storage, production and unloading") which we use the abbreviated term "FPSO" in the whole of the following description.
  • bottom-surface connections made by going up continuously to the subsurface of the resistant and rigid conduits consisting of tubular elements of thick steel welded or screwed together, in a chain configuration with a curvature continuously variable throughout their length in suspension, commonly called “Steel Catenary Riser” (SCRs) meaning “steel riser chain” and also commonly called “catenary type rigid pipe” or “SCR type riser”.
  • SCRs Steel Catenary Riser
  • Such a catenary duct may go up to the floating support surface or only to a subsurface float that tensions its upper end, which upper end is then connected to a floating support by a plunger flexible connecting pipe. Reinforced catenary risers are described in WO 03/102350 of the plaintiff.
  • a multiple hybrid tower having an anchoring system with a vertical tendon consisting of either a cable or a metal bar, or a pipe stretched at its upper end by a float.
  • the lower end of the tendon is attached to a base resting at the bottom.
  • Said tendon comprises guiding means distributed over its entire length through which passes a plurality of said risers vertical.
  • Said base can be placed simply on the seabed and stay in place by its own weight, or remain anchored by means of batteries or any other device to keep it in place.
  • the lower end of the riser vertical is adapted to be connected to the end of a bend, movable cuff, between a high position and a low position, relative to said base, to which this cuff is suspended and associated with a means of return bringing it back up in the absence of the riser.
  • This mobility of the bent sleeve makes it possible to absorb the length variations of the riser under the effects of temperature and pressure.
  • a stop device integral with it, comes to rest on the support guide installed at the head of the float and thus maintains the entire riser in suspension.
  • connection with the submarine pipe resting on the seabed is generally effected by a pig-shaped or S-shaped pipe portion, said S being then made in a vertical or horizontal plane, the connection with said underwater pipe being generally carried out via an automatic connector.
  • This embodiment comprising a plurality of risers held by a central structure comprising guide means is relatively expensive and complex to install.
  • the installation must be prefabricated on the ground before being towed at sea, then once on site, cabane to be put in place.
  • its maintenance also requires relatively high operating costs.
  • bottom-surface links are of short lengths and thus for the bulk of the different links connected to the same floating support to be limited.
  • WO 02/103153 it has been sought to provide an installation which can be manufactured entirely on land, in particular as regards the assembly of the rigid pipes resting at the bottom of the sea and the vertical risers ensuring the bottom-surface connection.
  • WO 02/103153 it was sought to implement an installation whose establishment at the bottom of the sea requires no flexible joint ball joint in the lower part of the tower. To do this, the underwater pipe resting at the bottom of the sea is connected to said vertical riser by a flexible pipe element held by a base resting at the bottom of the sea.
  • the vertical riser is tensioned by a subsurface float and the connection between the vertical riser and the floating support is done by a flexible pipe in a plunging chain configuration. whose end is connected to the upper end of said vertical riser by a gooseneck device.
  • This mode of connection of the upper end of the vertical riser with the floating support has certain disadvantages in terms of mechanical strength, at the level of the voltage discontinuity created by the gooseneck connecting piece and, because of the tensioning of the riser vertical by a float of very large volume, the latter is subjected to the action of currents and the swell, which generates, for this type of connection, angular variations of the top of the riser, very important, these last ones reverberating at the foot of the riser, at the level of the flexible joint thus strongly solicited.
  • variable stiffness reinforcement generally made of thermoplastic or thermosetting material is generally installed over a length of 2 to 6 m in order to improve the transition of inertia between the current portion of the flexible pipe and its embedding on said rigid support.
  • inertia is meant here the moment of inertia of said inertial transition line element with respect to an axis perpendicular to the axis of said inertial transition conductor element, which reflects the bending stiffness in each planes perpendicular to the axis XX 'of symmetry of said pipe element, this moment of inertia being proportional to the product of the section of material by the square of its distance from said axis of the pipe element.
  • the rigid pipe when a rigid pipe suspended in the sea is connected to a fixed support, either via a flexible elastomer hinge or a flexible pipe, the rigid pipe is equipped with general of a connection flange.
  • the end of the rigid pipe is then generally reinforced over 1-2 m or more by increasing its thickness, for example by doubling said thickness, and realizing over a length of a few meters a transition zone of shape inertia conical.
  • Such cylindro-conical parts can be machined without difficulty on conventional lathes, but of great capacity.
  • Such pieces can measure from 15 to 30m in length, the cylindrical portion extending over a length of 3-5m.
  • These parts are however very expensive to manufacture, because they must be made using very thick pipes, but variable thicknesses, assembled together, and then machined on a very large lathe to obtain the conical shape.
  • Such parts are very expensive to achieve, because to obtain a good result, it is necessary that the pipe assembled by welding before machining is perfectly rectilinear, and moreover the turns capable of precisely machining parts of 20 to 30m in length are difficult to find and at a very high operational cost.
  • the cylindro-conical transition pieces can not be made of steel, and require the use of titanium, which further increases the cost and complexity.
  • EP-0 911482 there is described an inertial transition piece constituted by a plurality of pipe members of increasing lengths and decreasing diameters, the annular space between the various pipe elements being filled with a solid filler material.
  • this inertial transition piece does not have a reliable mechanical reliability of embedding due in particular to a discontinuous variation of inertia along the part, because said part is not a cylindro-conical transition piece.
  • the transition piece of EP-0 911 482 at the level of said sleeves or ferrule s considerable variations in inertia, thus leading to phenomena of accelerated fatigue when said zone is subjected to repeated angular deflections throughout the life of the installations, which reaches and exceeds 20 years in Difficult conditions.
  • the entire device as it is presented is not protected against external aggression, mainly seawater.
  • cylindrical-conical is understood to mean a part whose variation in cross-sectional diameter along its axial longitudinal direction is progressive and continuous, that is to say without discontinuity by increasing continuous from the smaller diameter end to the larger diameter end.
  • An object of the present invention is to provide a new type of cylindro-conical inertia transition piece capable of rigidly embedding the end of a rigid pipe, in particular on an anchoring device at the bottom of the sea. and more particularly to provide an installation that does not require the implementation flexible hinges, especially at the base of a rigid pipe rising from the seabed or riser vertical.
  • Another object of the invention is to provide a bottom-surface connection system with hybrid towers, compact, simple to install and can be manufactured at sea from a pipe laying vessel, but the system of anchoring is of great strength and low cost, and whose manufacturing processes and implementation of the various constituent elements are simplified and also low cost, and can be carried out at sea, also, from a ship deposit.
  • the present invention provides an inertia transition conduit member according to claim 1.
  • said annular space is entirely filled with the same solid filler material, preferably comprising an elastomer material, more preferably based on polyurethane, having a Shore hardness greater than or equal to A50, preferably A50 to D70, and said inertial transition element is covered with a corrosion-resistant elastomeric cover material, preferably of polyurethane type, said inertia transition terminal member having a substantially cylindrical shape. conical by its coating by said cover material.
  • the annular space is completely filled with the same filling material and the covering material imparts a cylindro-conical shape to the transition piece, a continuous variation of the cross-sectional diameter of the same is obtained.
  • the piece and with the same filling material over the entire height of the transition piece which results in a gradual and continuous variation of inertia, that is to say without discontinuity of inertia.
  • the implementation of an elastomeric cover material provides a corrosion protection guaranteeing greater longevity to said transition piece, which is subjected to a high mechanical stress and without this protection would have reduced longevity.
  • said solid filler material must have a compressive strength so as to transfer the shear forces to the higher order reinforcing element "i + 1" in a manner proportional to the deformation of a said coaxial element that it contains order "i" under the effect of a bending effort.
  • the solid filler material must have a Poisson's ratio of 0.3 to 0.49, preferably 0.4 to 0.45.
  • this type of inertial transition pipe element according to the invention is advantageous in its simplicity of manufacture and therefore much less expensive than pipe elements having a cylindro-conical transition piece of inertia constituted by a single pipe element with walls of varying thicknesses as known in the prior art.
  • this new type of inertial transition terminal pipe element makes it possible to implement bottom-surface connection installations with the anchoring of a rigid pipe rising by rigid embedding on a base stationed at the bottom of the sea, that is to say without recourse to a flexible joint, in particular of the spherical flexible ball type.
  • This elastomer may be polyurethane or rubber alone or in combination with a mineral filler such as sand.
  • the solid filler material is in the form of a hydraulic binder such as cement, optionally filled with particulate material, preferably sand.
  • said cover material and said filler material comprise the same elastomer material, preferably based on polyurethane .
  • said solid filler material comprises a polyurethane of shore hardness A90 or A95.
  • the solid filler material comprises an elastomer loaded with particulate material, preferably sand.
  • step height of a coaxial pipe element to the other that it contains or that it covers is substantially constant.
  • the various elements of coaxial main pipe and reinforcing pipe are fixed to the same bottom plate consisting of a first fastening flange able to allow its leaktight connection to a second fastening flange at the end of the pipe. a terminal rigid pipe element of another rigid pipe.
  • said main pipe elements and coaxial reinforcing pipe elements each consist of all or part of a standard unitary element of standard pipe, in particular underwater pipe made of steel, or each consist of several unitary driving elements.
  • the present invention also provides an underwater rigid pipe, preferably a bottom-to-surface bond line, having at one of its ends an inertia transition pipe member, said main pipe member preferably having a thickness greater than or equal to that of said underwater rigid pipe, and a substantially identical inner diameter.
  • the pipe according to the invention for its connection to equipment of stiffness greater than that of said rigid pipe.
  • said upper stiffness equipment consists of a pipe connection element preferably comprising a fixing flange, said equipment being located at a base resting at the bottom of the sea, or the side of a floating support or buoy on the surface or subsurface.
  • vertical riser is used here to account for the theoretical position of the riser when the riser is at rest, provided that the riser axis can know angular movements with respect to the vertical and move in a cone.
  • angle ⁇ whose apex corresponds to the point of attachment of the lower end of the riser on said base.
  • Continuousity of curvature between the upper end of the vertical riser and the hose having a positive buoyancy, means that said curvature does not present any singular point, such as a sudden variation of angle of inclination of its tangent or a point inflection.
  • the slope of the curve formed by the flexible pipe is such that the inclination of its tangent with respect to the axis Z 1 Z ' 1 of the upper portion of said vertical riser increases continuously and progressively from the point of connection between the upper end of the vertical riser and the end of said end portion of flexible pipe of positive buoyancy, without point of inflection and without inversion point of curvature.
  • the installation according to the present invention therefore makes it possible to prevent the tensioning of the vertical riser by a surface or subsurface float, at which its upper end would be suspended, on the one hand, and, on the other hand, to avoid the connection to said plunging flexible pipe via a gooseneck device, as used in the prior art.
  • This not only results in greater intrinsic reliability in terms of mechanical strength over time of the connection between the vertical riser and the flexible pipe, because the gooseneck devices are fragile.
  • this type of installation confers increased stability in terms of angular variation ( ⁇ ) of the angle of excursion of the upper end of the vertical riser with respect to a theoretical position of vertical rest, because this angular variation is reduced in practice to a maximum angle not exceeding 5 °, in practice of the order of 1 to 4 ° with the installation according to the invention, whereas, in the embodiments of the prior art, the angular excursion could reach 5 to 10 ° or more.
  • Another advantage of the present invention is that, because of this small angular variation of the upper end of the vertical riser, it is possible to implement, at its lower end, a rigid recess on a base resting at the bottom of the sea, without having recourse to a part of transition of inertia of dimension too important and thus too expensive. It is therefore possible to avoid the implementation of a flexible hinge, in particular of the spherical flexible ball type, as long as the junction between the lower end of the riser and said recess comprises an inertia transition piece.
  • the positive buoyancy of the riser and the flexible pipe can be made in known manner by coaxial peripheral floats surrounding said pipes, or, preferably, as regards the rigid pipe of the vertical riser, a positive buoyancy material coating. , preferably also constituting an insulating material, such as syntactic foam, in the form of a shell enclosing said pipe.
  • Such buoyancy elements resistant to very high pressures that is to say at pressures of about 10 MPa per 1000 m of water are known to those skilled in the art and are available from the Company. BALMORAL (UK).
  • said flexible pipe has a positive buoyancy over a length corresponding to 30 to 60%, of its total length, preferably about half of the total length of the flexible pipe, so that the flexible pipe has an S configuration, with a first flexible pipe portion on the side of said floating support having a concave warp of plunging chain-shaped chain and the remaining terminal portion of said flexible pipe having a convex chain curvature inverted by its positive buoyancy, the end of said end portion of flexible pipe, at the upper end of said riser being located above and substantially in alignment with the axis Z 1 Z ' 1 of said riser at its upper end.
  • the portion of plunging flexible pipe, that is to say, negative buoyancy may be even shorter than the anchoring of the floating support surface is steep.
  • said first and second piles are assemblies of standard unitary elements of rigid pipes or unitary unit portions of rigid pipes, said second pile being shorter than said first pile.
  • This anchoring system of the base and fixing said support device and connection, at the lower end of said inertial transition piece on said base, is particularly advantageous for the following reasons.
  • the combination of the first pile and the tubular anchoring insert constitutes a guide system, which makes it possible to make said first connecting element parts and the second end connecting element part coincide with each other.
  • the terminal pipe element of the sea-bottom pipe which is fixedly positioned with respect to said base, and, on the other hand, the end of said rigid pipe element fixedly positioned relative to said support device.
  • tubular anchoring insert is positioned in the axis of said inertia transition piece and said second rigid pipe member supported by said support and connecting device is curved or bent so that said first automatic connector-type connection member portion is laterally disengaged from the remainder of said support and connection device, and said second connector-type connector element automatically at the end of said first rigid terminal conduit element of said pipe resting at the bottom of the sea, integral with said base, is also disengaged with respect to the orifice of said base and with respect to said support device and connection of which said anchoring insert is inserted inside said first anchor pile.
  • said first end pipe element of said pipe resting at the bottom of the sea may preferably also be bent or bent to coincide with the end of said second bent rigid pipe member and allow a connection easy by a submarine robot type ROV at the bottom of the sea
  • This process according to the invention is particularly simple and therefore advantageous to set up.
  • This simplicity results from the fact that the anchoring function on said base is filled by said anchoring insert, on the underside of said support and connection device, and that the bending moments experienced by the inertia transition piece are taken by the first anchoring pile driven to the bottom of the sea and not by said base, so that it is possible to implement a relatively low weight and low volume base.
  • FIG 7 there is shown in side view an FPSO 12 connected to an unloading buoy 12b by a crude oil export pipe 12c consisting of a rigid steel pipe of large diameter, said steel pipe being equipped with each of its ends of a transition piece 8 according to the invention.
  • Such transition pieces 8 are advantageously used at the ends of the rigid pipes 12c when they are secured to a pipe connection element 13, preferably having a fastening flange or any other equipment of stiffness greater than that of the pipe. rigid 12c.
  • FIG. 1 there is shown a bottom-surface connection facility 1 connecting an underwater line 2 resting on the seabed 3 to a floating support type FPSO 12 surface moored by anchor lines 12a.
  • the flexible pipe has a variation of continuous curvature, first concave in the plunge chain configuration portion 10b, and then convex in the positive buoyancy end portion 10a with an inflection point 10d between the two, thereby forming an S disposed in a substantially vertical plane.
  • This flexible pipe is to allow its initial portion 10b plunging to dampen the excursions of the floating supports 12 so as to stabilize the end 10c of the flexible pipe connected to a rigid rising vertical riser pipe 1.
  • the end of the portion of the floating end portion 10c of the flexible pipe carries a first fastening flange member 11 with the upper end of a rigid pipe extending from the seabed recessed at a base 4 resting at the bottom of the sea.
  • the vertical riser 9 is "tensioned" on the one hand by the buoyancy of the end portion 10a of the flexible pipe, but on the other hand and especially by floats regularly distributed at least on the part 9b, preferably, all along the rigid pipe, particularly in the form of syntactic foam advantageously acting as both an insulation and buoyancy system.
  • floats and this syntactic foam can be distributed along and around the rigid pipe over its entire length or, preferably, only on a portion of its upper part.
  • the base 4 can be limited to coating the rigid pipe 1 of syntactic foam over a length of 1000 m from its upper end, which allows to implement a syntactic foam that must withstand less pressure than if it had to withstand pressures up to 2500 m, and therefore a radically reduced cost compared to a syntactic foam to withstand said depth of 2500 m.
  • the rigid pipe 1 according to the invention is therefore “tensioned” without implementation of a float surface or sub-surface as in the prior art, which limits the effects of the current and the swell, and thus drastically reduces the excursion of the upper part of the vertical riser and therefore the efforts in the foot of riser at the level of the embedding.
  • the fastening flange system 11 between the upper end of the vertical riser 9 and the flexible pipe 10, and the connection of the fastening flanges 9a, 5a between the lower end to the inertia transition piece 8 and the device of FIG. connection support 5, provide sealed connections between the relevant conduits.
  • the base 4 resting at the bottom of the sea supports a first terminal conductor element 2a angled or curved of said pipe resting at the bottom of the sea 2.
  • This first curved or curved terminal conductor element 2a has at its end a first male part or female of an automatic connector 7b, which is disengaged laterally with respect to a through-orifice 4a of said base, but positioned in a fixed manner and determined with respect to the axis ZZ 'of said orifice.
  • the support and connection device 5 supports a second rigid elbow pipe element 5b having at its upper end said second attachment flange 5a and at its lower end a second female or male part of an automatic connector 7a, complementary to Part 7b.
  • a first tubular anchoring pile 6 is lowered from an installation vessel 20 on the surface, then depressed, preferably beaten in known manner, through an orifice 4a vertically traversing from one end to the base 4 until a peripheral protuberance 6a at the upper end of said first pile 6 comes to cooperate with a complementary shape 4c in the upper part of said orifice 4a of the base.
  • the orifice 4a is slightly larger than the first pile 6 to let it slide freely. And when the threshing of said first pile is completed, the base 4 is thus nailed to the ground without being able to move laterally or pivot around any horizontal axis.
  • a plurality of orifices and said first piles 6 are provided.
  • the first step consists in descending to the bottom of the sea from the surface, said base equipped with said first terminal pipe element 2a of the resting pipe. at the bottom of the sea.
  • anchoring of the transition piece 8 is carried out at the lower end of the vertical riser by attachment to the support and connection device 5, which is even anchored on said base, thus forming a rigid recess of the lower end of the vertical riser.
  • the support and connecting device 5 consists of elements of rigid and stiffening structure 5c supporting said second fastening flange 5a and said second rigid bent pipe element 5b, said rigid structure elements 5c assuring also the connection between said second fastening flange 5a and a lower plate 5d supporting on the underside a second tubular pile 5e called tubular anchoring insert.
  • the various surface-to-surface connection elements are manufactured on board the surface vessel 20, in particular assembling the rakes consisting of a plurality of standard pipe elements, which are progressively lowered.
  • said device 5 is connected in a sealed manner to the lower end of the vertical riser 9 via the conical transition piece 8, then the entire vertical riser equipped with its buoyancy elements, and finally the flexible connecting pipe equipped with its buoyancy elements fixed in direct continuity with the upper end of the vertical riser 9.
  • the assembly and the laying of the rigid pipe 9 are conventionally made from the ship 20 by assembling unit pipe elements or reams of unitary elements stored on the surface vessel 20, and descended as and when a technique known to those skilled in the art and described in particular in previous patent applications in the name of the applicant, from a laying ship in J.
  • the rigid steel pipe 9 may be in a known manner a Pipe-in-Pipe type pipe comprising a insulation system in the annular space between the two coaxial pipes constituting the riser 9 and further an insulation system such as syntactic foam acting as buoyancy system as described above.
  • tubular anchoring insert 5e When the lower end of the tubular anchoring insert 5e, preferably having a slightly conical shape 5f is positioned close to and in line with the orifice 4a of the base 4, it is advantageous to direct said tubular insert anchoring 5th, more precisely thanks to an automatic submarine or "ROV" 20a piloted from the surface. Said tubular insert 5e of length 10 to 15 m then returns naturally by its own weight in said first tubular anchoring pile driven to the bottom of the sea to a depth of 30 to 70 m.
  • ROV automatic submarine or
  • the external diameter of the tubular anchoring insert 5e may be slightly smaller than the internal diameter of the first pile 6, for example less than 5 cm, which facilitates guiding the tubular insert 5 inside said first pile 6 , while preventing transverse movements in a horizontal plane once the tubular insert 5 is fully inserted as shown in FIG. figure 3 .
  • a latch 4b shown in the retracted position on the Figure 2A is moved to the engaged position as on the figures 1 and 3 so as to block the upper plate 5d of the tubular insert 5e, inside said first pile 6, thus preventing any upward movement of the bottom-surface connection assembly 1 which is recessed via of the connecting support device 5 in the first pile 6 integral with said base 4.
  • the end 10e of the flexible pipe 10 is recovered which is then connected to said floating support FPSO 12 as shown in FIG. figure 1 , and the provisional buoy 21 is recovered as well as its dead body 21b and its anchoring cable 21a.
  • the tubular insert 5e transmits to said first tubular pile 6, the bending moments due to the cutting and transverse forces experienced at the recess of the part 8 on the device 5.
  • the fixing system of the upper end of the rigid pipe 9 with the flexible pipe 10 and the tensioning of said pipes gives greater stability to the upper end of the rigid pipe 9 with an angular variation ⁇ not exceeding in operation the 5 ° C.
  • the lower end pipe element of the rigid pipe 9 comprises a conical transition piece 8 whose inertia in cross section increases progressively from a value substantially identical to the inertia of the pipe element of the riser 9 to which it is connected, in the tapered upper part of the transition piece 8, to a value 3 to 10 times greater than the level of its lower part connected to said first attachment flange 9a.
  • inertia The coefficient of variation of inertia essentially depends on the bending moment that the vertical riser must bear at said transition piece, said moment being a function of the maximum excursion of the upper part of the rigid steel pipe 9, thus of the angle ⁇ .
  • high-grade steels are used. elastic limit and in extreme cases of stress, it may be necessary to manufacture titanium transition parts 8.
  • a cylindro-conical transition piece 8 having a variable thickness gradually increasing from the tapered upper part 81 to the thicker lower part 82 with a constant internal diameter corresponding to the internal diameter of a standard rigid pipe and In any event, at the internal diameter of the second rigid pipe element 6.
  • the transition piece 8 consists of a main steel pipe element 8a, preferably of internal diameter d 1 identical to that of the current portion of the pipe 9, and preferably of thickness equal to or slightly greater than that of the of said current portion of said duct 9, and of a thickness equal to that of said second elbow pipe element 5b.
  • transition piece 8 comprising a first inner pipe element 8a and three coaxial reinforcement pipe element 8b-8c-8d of increasing diameters d 2 -d 3 -d 4 and lengths h 2 -h 3 - h 4 decreasing, each of said coaxial pipe elements being secured at its lower end of the same said first flange 9a.
  • an elastomeric material 8 e such as a polyurethane, whose shore hardness is adjusted to obtain the desired variation in stiffness, especially a shore hardness of A50 at D70.
  • FIG. Figure 5C It is sufficient to inject said rigid material 8e only in the annular gaps between the coaxial pipe elements, as shown in FIG. Figure 5C .
  • a mold is installed in such a way as to obtain a cylindro-conical piece as shown in FIG. Figure 5B , which makes it possible to perform in a single operation the reinforcement of the transition piece and its protection vis-à-vis the aggression of the external environment by an outer coating thus conferring a cylindro-conical shape with a transition of steady and continuous inertia. Care should be taken not to cover the upper part of the transition piece with thermosetting resin over a length of 20 to 50 cm so as to be able to assemble it on board the installation vessel 20, by welding at the lower end of the the rigid pipe 9.
  • the variation diagram of the inertia I is plotted on the ordinate between the flange 9 and the upper end of the transition piece 8 of the Figures 5B and 5C .
  • the dashed staircase 30 represents the variation of the steel section in the absence of roofing and filling material at each of the reinforcing pipe members.
  • the curves 31-32-33 represent the variation of the inertia ( ⁇ EI) of the transition piece 8 of the figures 4 and 5C depending on its length, depending on the type of filler material.
  • Curve 33, of parabolic shape is obtained with a polyurethane filling material of shore hardness A90 or A95, and is a preferred version of the invention.
  • the curve 31 is obtained with a much stiffer material, such as a cement with very high performance, alone or in combination with a powdery load, such as sand.
  • the invention has been described with a base 4 placed at the same time as the submarine pipe resting on the bottom, said base being stabilized by a first pile 6 therethrough.
  • a base 4 constituted by a suction anchor, having an orifice, preferably circular integrated with said suction anchor and acting as a pile 6 and capable of receiving the anchoring insert 5e.
  • the support and connecting device 5 at the lower end of the bottom-surface connection is directly embedded in the suction anchor whose weight reaches 25 to 50 tons for a diameter of 3 to 5 m and a height of 20-25m.
  • the underwater pipe 2 is placed independently and therefore requires a junction pipe 7 manufactured on demand after installation of the bottom-surface connection and the underwater pipe 2.
  • Said pipe junction 7 then requires two automatic connectors 7a-7a 1 , 7b 1 -7b, one at each of its ends, while the version described with reference to the figure 3A only requires one 7a-7b automatic connector.
  • the invention has been described in a preferred version manufactured and simultaneously installed on site from a laying ship 20, but it remains in the spirit of the invention with a prefabrication of the complete set on a shipyard on land , the assembly is then towed substantially horizontally to the site, then finally cabane to inserting the anchoring insert 5e into the first tubular pile 6.

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Description

  • La présente invention concerne un élément de conduite de transition d'inertie, plus particulièrement destinée à être assemblée à l'extrémité d'une conduite rigide sous-marine, notamment une conduite rigide montante du type « riser » vertical.
  • La présente concerne plus particulièrement une installation de colonnes montantes (« riser ») de production pour l'extraction sous-marine de pétrole, de gaz ou autre matériau soluble ou fusible ou d'une suspension de matière minérale à partir de tête de puits immergé jusqu'à un support flottant, pour le développement de champs de production installés en pleine mer au large des côtes. L'application principale et immédiate de l'invention étant dans le domaine de la production pétrolière.
  • Le support flottant comporte en général des moyens d'ancrage pour rester en position malgré les effets des courants, des vents et de la houle. Il comporte aussi en général des moyens de stockage et de traitement du pétrole ainsi que des moyens de déchargement vers des pétroliers enleveurs, ces derniers se présentant à intervalle régulier pour effectuer l'enlèvement de la production. L'appellation courante de ces supports flottants est le terme anglo-saxon "Floating Production Storage Offloading" (signifiant "moyen flottant de stockage, de production et de déchargement") dont on utilise le terme abrégé "FPSO" dans l'ensemble de la description suivante.
  • On connaît des liaisons fond-surface d'une conduite sous-marine reposant au fond de la mer, liaison du type tour-hybride comprenant :
    • un riser vertical constitué d'une conduite rigide en acier, dont l'extrémité inférieure est ancrée au fond de la mer par le biais d'une articulation flexible, et relié à une dite conduite reposant au fond de la mer, et l'extrémité supérieure est tendue par un flotteur immergé en subsurface auquel elle est reliée, et
    • une conduite de liaison, en général une conduite de liaison flexible, entre l'extrémité supérieure dudit riser et un support flottant en surface, ladite conduite de liaison flexible prenant, le cas échéant, de par son propre poids la forme d'une courbe en chaînette plongeante, c'est-à-dire descendant largement en dessous du flotteur pour remonter ensuite jusqu'audit support flottant.
  • On connaît également des liaisons fond-surface réalisées en remontant de manière continue jusqu'en subsurface des conduites résistantes et rigides constituées d'éléments tubulaires en acier de forte épaisseur soudés ou vissés entre eux, en configuration de chaînette avec une courbure continûment variable dans toute leur longueur en suspension, communément appelés « Steel Catenary Riser » (SCRs) signifiant « riser en acier en forme de chaînette » et aussi communément appelés « conduite rigide du type caténaire » ou « riser du type SCR ». Une telle conduite caténaire peut remonter jusqu'au support flottant en surface ou seulement jusqu'à un flotteur en subsurface qui tensionne son extrémité supérieure, laquelle extrémité supérieure est alors reliée à un support flottant par une conduite de liaison flexible plongeante. Des risers caténaires à configuration renforcée sont décrits dans WO 03/102350 de la demanderesse.
  • Dans WO 00/49267 , on a proposé comme conduite de liaison entre le riser dont le sommet est tensionné par un flotteur immergé en surface et le support flottant, des conduites rigides de type SCR et on installe le flotteur en tête du riser à une distance plus grande de la surface notamment à au moins 300 m de la surface, de préférence au moins 500 m.
  • Dans WO 00/49267 de la demanderesse, on a décrit une tour hybride multiple comportant un système d'ancrage avec un tendon vertical constitué soit d'un câble, soit d'une barre métallique, soit encore d'une conduite tendue à son extrémité supérieure par un flotteur. L'extrémité inférieure du tendon est fixée à une embase reposant au fond. Ledit tendon comporte des moyens de guidage répartis sur toute sa longueur à travers lesquels passe une pluralité de dits risers verticaux. Ladite embase peut être posée simplement sur le fond de la mer et rester en place par son propre poids, ou rester ancrée au moyen de piles ou tout autre dispositif propre à la maintenir en place. Dans WO 00/49267 , l'extrémité inférieure du riser vertical est apte à être connectée à l'extrémité d'une manchette coudée, mobile, entre une position haute et une position basse, par rapport à ladite embase, à laquelle cette manchette est suspendue et associée à un moyen de rappel la ramenant en position haute en l'absence du riser. Cette mobilité de la manchette coudée permet d'absorber les variations de longueur du riser sous les effets de la température et de la pression. En tête du riser vertical, un dispositif de butée, solidaire de celui-ci, vient s'appuyer sur le guide support installé en tête du flotteur et maintient ainsi la totalité du riser en suspension.
  • La liaison avec la conduite sous-marine reposant sur le fond de la mer est en général effectuée par une portion de conduite en forme de queue de cochon ou en forme de S, ledit S étant alors réalisé dans un plan soit vertical soit horizontal, la liaison avec ladite conduite sous-marine étant en général réalisée par l'intermédiaire d'un connecteur automatique.
  • Ce mode de réalisation comprenant une multiplicité de risers maintenus par une structure centrale comportant des moyens de guidage est relativement coûteux et complexe à installer. D'autre part, l'installation doit être préfabriquée à terre avant d'être remorquée en mer, puis une fois sur site, cabanée en vue d'être mise en place. En outre, sa maintenance requiert également des coûts d'exploitation relativement élevés.
  • De plus, le pétrole brut cheminant sur de très grandes distances, plusieurs kilomètres, on doit leur fournir un niveau d'isolation extrême coûteux pour, d'une part minimiser l'augmentation de viscosité qui conduirait à une réduction de la production horaire des puits, et d'autre part d'éviter le blocage du flot par dépôt de paraffine, ou formation d'hydrates dès lors que la température descend aux alentours de 30-40°C. Ces derniers phénomènes sont d'autant plus critiques, particulièrement en Afrique de l'Ouest, que la température du fond de la mer est de l'ordre de 4°C et que les pétroles bruts sont de type paraffiniques.
  • Il est donc souhaitable que les liaisons fond-surface soient de longueurs réduites et donc que l'encombrement des différentes liaisons reliées à un même support flottant soient limités.
  • C'est pourquoi on cherche à fournir des installations aptes à exploiter depuis un même support flottant une pluralité de liaisons fond-surface de type tour-hybride d'encombrement réduit et plus simple à poser et pouvant être fabriquée en mer depuis un navire de pose de conduite.
  • Dans WO 02/066786 et WO 2003/095788 , on a décrit des installations de tours hybrides nécessitant la mise en oeuvre d'articulations flexibles entre le riser vertical et l'embase car les variations angulaires, engendrées par les mouvements du FPSO et par l'action de la houle et du courant sur les conduites et sur le flotteur tensionnant la portion verticale de conduite, sont importantes, atteignant 5 à 10° et ces variations empêchent l'utilisation de liaison rigide encastrée dans ladite embase. De telles articulations flexibles sont très délicates et coûteuses à fabriquer car elles sont constituées d'empilements de couches d'élastomère et de renforts acier et doivent résister à la fatigue pendant toute la durée de vie des installations qui dépasse 20-25 ans voire plus. De plus, la présence du flotteur crée une discontinuité de tension au niveau de pièce en col de cygne, à l'interface entre la conduite rigide sensiblement verticale et la conduite flexible en configuration de chaînette, ce qui nuit à la stabilité d'ensemble au niveau dudit interface et affecte la résistance mécanique de l'installation.
  • Dans WO 02/103153 , on a cherché à fournir une installation qui puisse être fabriquée intégralement à terre, notamment en ce qui concerne l'assemblage des conduites rigides reposant au fond de la mer et les risers verticaux assurant la liaison fond-surface. D'autre part, dans WO 02/103153 , on a cherché à mettre en oeuvre une installation dont la mise en place au fond de la mer ne requiert aucun joint flexible à rotule dans la partie inférieure de la tour. Pour ce faire, la conduite sous-marine reposant au fond de la mer est reliée audit riser vertical par un élément de conduite flexible maintenu par une embase reposant au fond de la mer. L'assemblage de l'extrémité inférieure du riser vertical et l'extrémité de la conduite reposant au fond de la mer, par l'intermédiaire dudit élément de conduite flexible solidaire et maintenu par ladite embase, est préassemblé à terre avant d'être remorqué en mer et déposé au fond de la mer où ladite embase est, ensuite, ancrée. Toutefois, ce mode de réalisation présente certain inconvénient car ce système d'ancrage nécessite, pour la phase de remorquage et de cabanage des éléments de flottabilité considérables pour équilibrer le poids déjaugé de ladite structure embase, et les éléments de liaison flexibles sont soumis à une fatigue importante pendant toute la durée de vie des installations qui atteint et dépasse 25-30 ans.
  • En outre, dans toutes les installations décrites dans la technique antérieure mentionnée ci-dessus, le riser vertical est tensionné par un flotteur en subsurface et la liaison entre le riser vertical et le support flottant se fait par une conduite flexible en configuration de chaînette plongeante, dont l'extrémité est reliée à l'extrémité supérieure dudit riser vertical par un dispositif en col de cygne. Ce mode de liaison de l'extrémité supérieure du riser vertical avec le support flottant présente certains inconvénients en termes de résistance mécanique, au niveau de la discontinuité de tension crée par la pièce de liaison en col de cygne et, du fait du tensionnement du riser vertical par un flotteur de très gros volume, ce dernier est soumis à l'action des courants et de la houle, ce qui engendre, pour ce type de liaison, des variations angulaires du sommet du riser, très importantes, ces dernières se répercutant en pied de riser, au niveau de l'articulation flexible ainsi fortement sollicitée.
  • Lorsque l'on connecte des conduites flexibles sur des structures rigides, telles un bordé de FPSO ou une plateforme de forage, la conduite flexible étant libre de se mouvoir en toutes directions, nécessite un renforcement au niveau de sa connexion sur ledit support rigide. A cet effet, on installe en général sur une longueur de 2 à 6m un renfort de raideur variable réalisé en général en matériau thermoplastique ou thermodurcissable de manière à améliorer la transition d'inertie entre la portion courante de la conduite flexible et son encastrement sur ledit support rigide.
  • On entend ici par "inertie", le moment d'inertie dudit élément de conduite de transition d'inertie par rapport à un axe perpendiculaire à l'axe dudit élément de conduite de transition d'inertie, lequel reflète la raideur en flexion dans chacun des plans perpendiculaires à l'axe XX' de symétrie dudit élément de conduite, ce moment d'inertie étant proportionnel au produit de la section de matière par le carré de son éloignement par rapport au dit axe de l'élément de conduite.
  • De la même manière, lorsque l'on connecte à un support fixe une conduite rigide en suspension dans la mer, soit par l'intermédiaire d'une articulation flexible en élastomère, ou encore d'une conduite flexible, la conduite rigide est équipée en général d'une bride de raccordement. L'extrémité de la conduite rigide est alors en général renforcée sur 1-2 m voire plus par augmentation de son épaisseur, par exemple en doublant ladite épaisseur, et en réalisant sur une longueur de quelques mètres une zone de transition d'inertie de forme conique. De telles pièces cylindro-coniques peuvent être usinées sans difficultés sur des tours conventionnels, mais de grande capacité.
  • Il est possible de réaliser une liaison encastrée d'une conduite en mettant en oeuvre à son extrémité un élément de conduite d'épaisseur variable formant une pièce de transition cylindro-conique, ladite pièce présentant :
    • à l'extrémité la plus mince un diamètre intérieur de préférence égal à celui de ladite conduite et une épaisseur sensiblement égale à celle de ladite conduite, et
    • à l'autre extrémité, un diamètre intérieur de préférence égal à celui de ladite conduite et une épaisseur 2 à 10 fois supérieure à celle de ladite conduite.
  • De telles pièces peuvent mesurer de 15 à 30m de longueur, la partie cylindrique s'étendant sur une longueur de 3-5m. Ces pièces sont toutefois très coûteuses à fabriquer, car elles doivent être réalisées à l'aide de conduites très épaisses, mais d'épaisseurs variables, assemblées entre elles, puis usinées sur un tour de très grandes dimensions pour obtenir la forme conique. De telles pièces sont très coûteuses à réaliser, car pour obtenir un bon résultat, il faut que la conduite assemblée par soudage avant usinage soit parfaitement rectiligne, et de plus les tours capables d'usiner avec précision des pièces de 20 à 30m de longueur sont difficiles à trouver et d'un coût opérationnel très élevé.
  • Dans certains cas extrêmes, les pièces de transition cylindro-coniques ne peuvent pas être réalisées en acier, et nécessitent l'utilisation de titane, ce qui augmente encore le coût et la complexité.
  • En revanche, si l'on cherche à réaliser un encastrement parfait dans une structure d'une rigidité extrême, les moments de flexion à transmettre au niveau de l'encastrement proprement dit sont considérables et nécessitent des pièces de transition cylindro-coniques extrêmement importantes, tant en épaisseur dans la partie renforcée qu'en longueur totale.
  • Dans EP-0 911482 , on décrit une pièce de transition d'inertie constituée par une pluralité d'éléments de conduite de longueurs croissantes et de diamètres décroissants, l'espace annulaire entre les différents éléments de conduite étant remplis d'un matériau de remplissage solide.
  • Dans EP-0 911482 , les espaces annulaires entre les différents éléments de conduite coaxiaux adjacents sont obturés par des douilles ou viroles en acier soudées.
  • Il en résulte des discontinuités dans la variation d'inertie de la pièce de transition au niveau de chaque orifice supérieur des espaces annulaires obturés par lesdites douilles ou viroles en acier, dans la mesure où le matériau de remplissage à l'intérieur des dits espaces annulaires est constitué d'un autre matériau, à savoir en l'espèce du ciment.
  • A l'usage, cette pièce de transition d'inertie ne présente pas une fiabilité mécanique d'encastrement suffisamment fiable du fait notamment d'une variation d'inertie discontinue le long de la pièce, du fait que ladite pièce n'est pas une pièce de transition cylindro-conique.
  • Plus précisément, la pièce de transition de EP-0 911 482 présente au niveau des dites douilles ou viroles des variations considérables d'inertie, conduisant ainsi à des phénomènes de fatigue accélérée lorsque ladite zone est soumise à des déflexions angulaires répétées durant toute la durée de vie des installations, qui atteint et dépasse 20 années dans des conditions difficiles. De plus, l'ensemble du dispositif tel qu'il est présenté n'est pas protégé contre les agressions extérieures, principalement l'eau de mer.
  • Dans la présente demande, on entend par « cylindro-conique » qu'une pièce dont la variation de diamètre en section transversale le long de sa direction longitudinale axiale est progressive et continue, c'est-à-dire sans discontinuité en augmentant de façon continue depuis l'extrémité de plus petit diamètre jusqu'à l'extrémité de plus grand diamètre.
  • Un but de la présente invention est de fournir un nouveau type de pièce de transition d'inertie cylindro-conique apte à permettre un encastrement rigide de l'extrémité d'une conduite rigide, notamment sur un dispositif d'ancrage au fond de la mer et plus particulièrement de fournir ainsi une installation qui ne requiert pas la mise en oeuvre d'articulations flexibles, notamment à la base d'une conduite rigide montante depuis le fond de la mer ou riser vertical.
  • Un autre but de l'invention est de fournir une installation de liaisons fond-surface avec des tours hybrides, d'encombrement réduit, simple à poser et pouvant être fabriqué en mer depuis un navire de pose de conduite, mais dont le système d'ancrage est d'une grande résistance et d'un faible coût, et dont les procédés de fabrication et mise en place des différents éléments constitutifs sont simplifiés et également d'un faible coût, et peuvent être réalisés en mer, également, depuis un navire de pose.
  • Pour ce faire, la présente invention fournit un élément de conduite de transition d'inertie selon la revendication 1.
  • Selon l'invention, ledit espace annulaire est entièrement rempli par un même matériau solide de remplissage comprenant de préférence un matériau élastomère, de préférence encore à base de polyuréthanne, présentant une dureté shore supérieure ou égale à A50, de préférence encore de A50 à D70, et ledit élément de transition d'inertie est recouvert d'un matériau de couverture élastomère résistant à la corrosion, de préférence de type polyuréthane, ledit élément de conduite terminale de transition d'inertie présentant une forme sensiblement cylindro-conique de par son revêtement par ledit matériau de couverture.
  • Selon la présente invention, du fait l'espace annulaire est entièrement rempli d'un même matériau de remplissage et que le matériau de couverture confère une forme cylindro-conique à la pièce de transition, on obtient une variation continue du diamètre en section transversale de la pièce et avec un même matériau de remplissage sur toute la hauteur de la pièce de transition, d'où il résulte une variation d'inertie progressive et continue, c'est-à-dire sans discontinuité d'inertie. En outre, la mise en oeuvre d'un matériau de couverture élastomère apporte une protection à la corrosion garantissant une plus grande longévité à ladite pièce de transition, laquelle est soumise à une importante contrainte mécanique et présenterait sans cette protection une longévité réduite.
  • On comprend que ledit matériau de remplissage solide doit présenter une résistance à la compression de manière à transférer les efforts tranchants vers l'élément de renfort d'ordre supérieur « i+1 » de manière proportionnelle à la déformation d'un dit élément coaxial qu'il contient d'ordre « i » sous l'effet d'un effort de flexion subi. En pratique le matériau de remplissage solide doit présenter un coefficient de Poisson de 0.3 à 0.49, de préférence de 0.4 à 0.45.
  • On comprend que ce type d'élément de conduite de transition d'inertie selon l'invention est avantageux de par sa simplicité de fabrication et donc beaucoup moins coûteux que des éléments de conduite présentant une pièce de transition d'inertie cylindro-conique constituée par un unique élément de conduite à parois d'épaisseurs variables tel que connu dans la technique antérieure.
  • Comme il sera vu plus loin, ce nouveau type d'élément de conduite terminal de transition d'inertie rend possible la mise en oeuvre d'installations de liaison fond-surface avec l'ancrage d'une conduite rigide montante par encastrement rigide sur une embase posée au fond de la mer, c'est-à-dire sans avoir recours à une articulation flexible, notamment de type rotule sphérique flexible.
  • Cet élastomère peut être du polyuréthanne ou caoutchouc seul ou en combinaison avec une charge minérale tel du sable.
  • Dans une variante de réalisation, le matériau solide de remplissage se présente sous forme d'un liant hydraulique tel que du ciment, éventuellement chargé en matériau particulaire, de préférence du sable.
  • De préférence, pour des raisons pratiques de fabrication et de coût, mais aussi pour augmenter la flexibilité de la pièce de transition et donc sa longévité, ledit matériau de couverture et ledit matériau de remplissage comprennent un même matériau élastomère, de préférence à base de polyuréthanne.
  • De préférence encore, ledit matériau solide de remplissage comprend un polyuréthanne de dureté shore A90 ou A95.
  • Dans une autre variante de réalisation, le matériau solide de remplissage comprend un élastomère chargé en matériau particulaire, de préférence du sable.
  • Selon d'autres caractéristiques plus particulières, d'un élément de conduite de transition d'inertie selon la présente invention :
    • la différence entre le diamètre interne d1 dudit élément de conduite principal et le diamètre externe D4 dudit élément de conduite de renfort de plus grand diamètre est égale à 3 à 10 fois l'épaisseur dudit élément de conduite principale, et le nombre desdits éléments de renfort coaxiaux est n = 2 à 4, et
    • la différence de longueur entre les différents éléments de conduite de renfort coaxiaux hi-hi+1 est sensiblement constante et égale à h i × 1 n ,
      Figure imgb0001
       et
    • l'espace annulaire entre deux desdits éléments de conduite Di+1-di est supérieur ou égal à l'épaisseur dudit élément de conduite de plus petite épaisseur et inférieur ou égal à deux fois l'épaisseur dudit élément de conduite de plus grande épaisseur délimitant ledit espace annulaire, et
    • la longueur dudit élément de conduite principale est de 10 à 50 m de préférence de 20 à 30 m et il comprend 2 ou 3 desdits éléments de renfort coaxiaux.
  • En d'autres termes, on comprend que la différence de hauteur pas à pas d'un élément de conduite coaxiale à l'autre qu'il contient ou qu'il recouvre est sensiblement constante.
  • Dans un mode de réalisation particulier les différents éléments de conduite principale et conduite de renfort coaxiaux sont fixés à une même platine inférieure constituée d'une première bride de fixation apte à permettre sa connexion étanche à une deuxième bride de fixation à l'extrémité d'un élément de conduite rigide terminal d'une autre conduite rigide.
  • De préférence, lesdits éléments de conduite principale et éléments de conduite de renforts coaxiaux sont constitués chacun de tout ou partie d'un élément unitaire de conduite standard, notamment de conduite sous-marine en acier, ou sont constitués chacun de plusieurs éléments unitaires de conduite standard assemblés bout à bout et de préférence, maintenus coaxialement par des cales de centrage 18 réparties régulièrement le long de leur direction longitudinale et sur leur section circulaire dans leurs espaces annulaires.
  • La présente invention fournit également une conduite rigide sous-marine, de préférence conduite de liaison fond-surface, comprenant à l'une de ses extrémités un dit élément de conduite de transition d'inertie, ledit élément de conduite principale présentant de préférence une épaisseur supérieure ou égale à celle de ladite conduite rigide sous-marine, et un diamètre intérieur sensiblement identique.
  • Plus particulièrement, la conduite selon l'invention, pour son raccordement a un équipement de raideur supérieure à celle de la dite conduite rigide.
  • Plus particulièrement encore, ledit équipement de raideur supérieure est constitué d'un élément de raccordement de conduite comportant de préférence une bride de fixation, ledit équipement étant situé au niveau d'une embase reposant au fond de la mer, ou du bordé d'un support flottant ou d'une bouée en surface ou subsurface.
  • La présente invention fournit également une installation de liaison fond-surface, notamment à grande profondeur de plus de 1 000 m, comprenant :
    1. a) au moins une conduite rigide comprenant à une extrémité un élément de conduite de transition d'inertie selon l'invention, ladite conduite rigide étant une conduite montante, sensiblement verticale, dénommée riser vertical, fixée à son extrémité inférieure à un dispositif d'ancrage au fond de mer, et
    2. b) au moins une conduite de liaison flexible (assurant la liaison entre un support flottant et l'extrémité supérieure dudit riser vertical, caractérisée en ce que :
      1. 1/ une extrémité de ladite conduite flexible est directement raccordée, de préférence par un système de brides, à l'extrémité supérieure dudit riser vertical, une partie terminale de la conduite flexible, du coté de sa jonction à l'extrémité supérieure dudit riser, présentant une flottabilité positive, et au moins la partie supérieure dudit riser vertical présentant également une flottabilité positive, de sorte que les flottabilités positives de ladite partie terminale de la conduite flexible et de ladite partie supérieure dudit riser vertical permettent le tensionnement dudit riser en position sensiblement verticale et l'alignement ou la continuité de courbure entre l'extrémité de ladite partie terminale de la conduite flexible et la partie supérieure dudit riser vertical au niveau de leur raccordement, et
      2. 2/ l'extrémité inférieure dudit riser vertical comprend un dit élément de conduite terminal selon l'invention formant une pièce de transition d'inertie dont la variation de l'inertie est telle que l'inertie dudit élément de conduite terminal, à son extrémité supérieure, soit sensiblement identique à celle de l'élément de conduite de la partie courante du riser vertical auquel elle est reliée, ladite inertie de l'élément de conduite terminal augmentant progressivement jusqu'à l'extrémité inférieure de ladite pièce de transition d'inertie, comprenant une première bride de fixation permettant l'encastrement de l'extrémité inférieure dudit riser vertical au niveau dudit dispositif d'ancrage au fond de la mer.
  • On utilise ici le terme "riser vertical" pour rendre compte de la position théorique du riser lorsque celui-ci est au repos étant entendu que l'axe du riser peut connaître des mouvements angulaires par rapport à la verticale et se mouvoir dans un cône d'angle α dont le sommet correspond au point de fixation de l'extrémité inférieure du riser sur ladite embase.
  • On entend par "continuité de courbure" entre l'extrémité supérieure du riser vertical et le flexible présentant une flottabilité positive, que ladite courbure ne présente pas de point singulier, tel une variation brusque d'angle d'inclinaison de sa tangente ou un point d'inflexion.
  • De préférence, la pente de la courbe formée par la conduite flexible est telle que l'inclinaison de sa tangente par rapport à l'axe Z1Z'1 de la partie supérieure dudit riser vertical augment continûment et progressivement depuis le point de raccordement entre l'extrémité supérieure du riser vertical et l'extrémité de ladite partie terminale de conduite flexible de flottabilité positive, sans point d'inflexion et sans point d'inversion de courbure.
  • L'installation selon la présente invention permet donc d'éviter le tensionnement du riser vertical par un flotteur en surface ou subsurface, auquel son extrémité supérieure serait suspendue, d'une part, et, d'autre part, d'éviter la liaison à ladite conduite flexible plongeante par l'intermédiaire d'un dispositif de col de cygne, tel que mis en oeuvre dans la technique antérieure. Il en résulte non seulement une plus grande fiabilité intrinsèque en termes de résistance mécanique dans le temps de la liaison entre le riser vertical et la conduite flexible, car les dispositifs de type col de cygne sont fragiles. Mais surtout, ce type d'installation confère une stabilité accrue en termes de variation angulaire (γ) de l'angle d'excursion de l'extrémité supérieure du riser vertical par rapport à une position théorique de repos vertical, car cette variation angulaire est réduite en pratique à un angle maximal ne dépassant pas 5°, en pratique de l'ordre de 1 à 4° avec l'installation selon l'invention, alors que, dans les modes de réalisation de la technique antérieure, l'excursion angulaire pouvait atteindre 5 à 10°, voire plus.
  • Un autre avantage de la présente invention tient en ce que, du fait de cette faible variation angulaire de l'extrémité supérieure du riser vertical, il est possible de mettre en oeuvre, au niveau de son extrémité inférieure, un encastrement rigide sur une embase reposant au fond de la mer, sans avoir recours à une pièce de transition d'inertie de dimension trop importante et donc trop coûteuse. Il est donc possible d'éviter la mise en oeuvre d'une articulation flexible, notamment du type rotule sphérique flexible, pour autant que la jonction entre l'extrémité inférieure du riser et ledit encastrement comprenne une pièce de transition d'inertie.
  • Les flottabilités positives du riser et de la conduite flexible peuvent être apportées de façon connue par des flotteurs périphériques coaxiaux entourant lesdites conduites, ou, de préférence, s'agissant de la conduite rigide du riser vertical, d'un revêtement en matériau de flottabilité positive, de préférence constituant également un matériau isolant, tel que de la mousse syntactique, sous forme de coquille enveloppant ladite conduite. De tels éléments de flottabilité résistant à de très fortes pressions, c'est-à-dire à des pressions d'environ 10MPa par tranche de 1000m d'eau sont connues de l'homme de l'art et sont disponibles auprès de la Société BALMORAL (UK).
  • Plus particulièrement, ladite conduite flexible présente une flottabilité positive sur une longueur correspondant à 30 à 60%, de sa longueur totale, de préférence environ la moitié de la longueur totale de la conduite flexible, de sorte la conduite flexible présente une configuration en S, avec une première portion de conduite flexible du coté dudit support flottant présentant une courbure concave de chaînette à configuration de chaîne plongeante et la portion terminale restante de ladite conduite flexible présentant une courbure convexe de chaînette inversée de par sa flottabilité positive, l'extrémité de ladite portion terminale de conduite flexible, au niveau de l'extrémité supérieure dudit riser, étant située au dessus et sensiblement dans l'alignement de l'axe Z1Z'1 dudit riser à son extrémité supérieure.
  • La partie de conduite flexible plongeante, c'est-à-dire de flottabilité négative pourra être d'autant plus courte que l'ancrage du support flottant en surface sera raide.
  • Dans un mode préféré de réalisation d'une installation de liaison fond-surface, celle-ci comprend les caractéristiques suivantes, selon lesquelles :
    • ledit riser vertical est relié à son extrémité inférieure à au moins une conduite reposant au fond de la mer, et
    • ledit dispositif d'ancrage comprend un dispositif de support et de raccordement fixé sur une embase posée et ancrée au fond de la mer, et
    • ladite conduite reposant au fond de la mer comprend un premier élément de conduite rigide terminal solidaire de ladite embase reposant au fond de la mer et ledit premier élément de conduite terminal est maintenu fixement par rapport à ladite embase, avec, à son extrémité, une première partie d'élément de raccordement, de préférence un élément mâle ou femelle d'un connecteur automatique, et
    • ladite première bride de fixation à l'extrémité inférieure de ladite pièce de transition d'inertie est fixée à une deuxième bride de fixation à l'extrémité d'un deuxième élément de conduite rigide coudé, solidaire dudit dispositif de support et de raccordement fixé sur ladite embase et supportant, de façon fixe et rigide, ledit deuxième élément de conduite rigide coudé, dont l'autre extrémité comprend une deuxième partie d'élément de raccordement complémentaire de ladite première partie d'élément de raccordement et raccordée à celle-ci lorsque ledit élément de support et de raccordement est fixé à ladite embase.
  • On comprend que la géométrie statique dudit premier élément de conduite rigide en terminaison de ladite conduite reposant au fond de la mer, par rapport à ladite embase, et la géométrie statique dudit deuxième élément de conduite rigide coudé, par rapport audit dispositif de support et raccordement fixé à ladite embase, permettent de positionner les extrémités respectives desdits premier et deuxième éléments de conduites rigides, de manière à faciliter le raccordement des parties complémentaires de connecteurs automatiques une fois que le dispositif de support est raccordement est fixé à ladite embase.
  • De préférence encore, l'installation de liaison fond-surface présente les caractéristiques selon lesquelles :
    • ladite embase est ancrée au fond de la mer par un premier pieu tubulaire passant à travers un orifice traversant de ladite embase, ledit premier pieu étant enfoncé dans le sol au fond de la mer, et sa partie supérieure coopérant avec l'embase de manière à permettre l'ancrage de ladite embase, et
    • ledit dispositif de support et raccordement supportant ledit deuxième d'élément de conduite rigide coudé comporte un deuxième pieu tubulaire, dénommé insert tubulaire d'ancrage, inséré à l'intérieur dudit premier pieu tubulaire d'ancrage de ladite embase, ladite embase comprenant un dispositif de blocage retenant ledit insert tubulaire d'ancrage à l'intérieur dudit premier pieu tubulaire en cas de traction dudit deuxième pieu tubulaire vers le haut.
  • De préférence, lesdits premier et deuxième pieux sont des assemblages d'éléments unitaires standards de conduites rigides ou des portions d'élément unitaire de conduites rigides, ledit deuxième pieu étant plus court que ledit premier pieu.
  • Ce système d'ancrage de l'embase et de fixation dudit dispositif de support et de raccordement, à l'extrémité inférieure de ladite pièce de transition d'inertie sur ladite embase, est particulièrement avantageux pour les raisons suivantes.
  • Tout d'abord, la combinaison du premier pieu et de l'insert tubulaire d'ancrage constitue un système de guidage, qui permet de faire coïncider lesdites premières parties d'élément de raccordement et deuxième partie d'élément de raccordement aux extrémités, d'une part, de l'élément de conduite terminal de la conduite reposant au fond de la mer qui est positionné fixement par rapport à ladite embase, et, d'autre part, de l'extrémité dudit élément de conduite rigide positionné fixement par rapport audit dispositif support.
  • Les efforts transversaux ou efforts tranchants résultant du moment de flexion se produisant au niveau du fond de la mer, au niveau de l'encastrement de l'extrémité inférieure du riser vertical au niveau de ladite embase, résultant des variations angulaires du riser à son extrémité supérieure, ne sont pas transmis à ladite embase mais audit premier pieu d'ancrage, lequel s'étend profondément au fond de la mer sur une longueur de 30 à 70 m. Ainsi il est possible de mettre en oeuvre une dite embase de volume et de poids relativement réduits, ce qui permet de pouvoir la descendre relativement aisément depuis la surface, solidaire dudit premier élément de conduite terminal de la conduite reposant au fond de la mer.
  • Plus particulièrement, ledit insert tubulaire d'ancrage est positionné dans l'axe de ladite pièce de transition d'inertie et ledit deuxième élément de conduite rigide supporté par ledit dispositif de support et de raccordement est incurvé ou coudé de manière à ce que ladite première partie d'élément de raccordement du type connecteur automatique soit dégagée latéralement par rapport au reste dudit dispositif de support et de raccordement, et ladite deuxième partie d'élément de raccordement du type connecteur automatique, à l'extrémité dudit premier élément de conduite rigide terminal de ladite conduite reposant au fond de la mer, solidaire de ladite embase, soit également dégagée par rapport à l'orifice de ladite embase et par rapport audit dispositif de support et raccordement dont ledit insert d'ancrage est inséré à l'intérieur dudit premier pieu d'ancrage.
  • Dans ce mode de réalisation, ledit premier élément de conduite terminal de ladite conduite reposant au fond de la mer peut, de préférence, être également coudé ou contre coudé pour bien coïncider avec l'extrémité dudit deuxième élément de conduite rigide coudé et permettre un raccordement aisé par un automate sous-marin de type ROV au fond de la mer
  • La présente invention fournit donc également un procédé de mise en place au fond de la mer d'une installation de liaison fond-surface selon l'invention, comprenant les étapes successives suivants dans lesquelles :
    1. 1/- on descend, au fond de la mer, un dit dispositif d'ancrage, et
    2. 2/- on descend une conduite rigide formant un riser vertical, directement fixée, à son extrémité supérieure, à une extrémité de ladite conduite flexible présentant une portion terminale de flottabilité positive, l'autre extrémité de ladite conduite flexible étant suspendue à un flotteur en subsurface, et
    3. 3/- on fixe l'extrémité inférieure de ladite pièce de transition par encastrement au niveau dudit dispositif d'ancrage, et
    4. 4/- on déplace l'extrémité de ladite conduite flexible suspendue audit flotteur et on la fixe ou relie à un dit support flottant.
  • De préférence, un procédé de mise en place d'une installation de liaison fond-surface selon l'invention, comprend les étapes successives suivants dans lesquelles :
    1. 1/- on descend, au fond de la mer, une dite embase solidaire d'un dit premier élément de conduite rigide, ladite embase comprenant un orifice traversant, et
    2. 2/- on descend au fond de la mer un dit premier pieu tubulaire d'ancrage que l'on enfonce au fond de la mer à travers ledit orifice de l'embase, pour ancrer ladite embase au fond de la mer, et
    3. 3/- on descend au fond de la mer, depuis un navire de surface, ladite conduite rigide constituant ledit riser vertical, directement fixée à son extrémité supérieure à une dite conduite flexible, ladite pièce de transition à l'extrémité inférieure dudit riser étant fixée à un dit dispositif de support et de raccordement, supportant un dit deuxième élément de conduite rigide coudé ainsi qu'un dit insert d'ancrage, et
    4. 4/- on fixe ledit dispositif de support et de raccordement sur ladite embase en insérant ledit insert d'ancrage à l'intérieur dudit premier pieu tubulaire, et
    5. 5/- de préférence, on verrouille ledit insert d'ancrage à l'intérieur dudit premier pieu tubulaire à l'aide d'un dispositif de blocage, et
    6. 6/- on réalise le raccordement desdits premier élément de conduite rigide coudé et deuxième élément de conduite rigide coudé, et
    7. 7/- on finit de descendre ladite conduite flexible présentant une portion terminale de flottabilité positive, avec l'autre extrémité de ladite conduite flexible suspendue à un flotteur en subsurface, et
    8. 8/- on déplace puis on fixe ou relie l'autre extrémité de ladite conduite flexible à un dit support flottant.
  • Ce procédé selon l'invention est particulièrement simple et donc avantageux à mettre en place. Cette simplicité résulte du fait que la fonction d'ancrage sur ladite embase est remplie par ledit insert d'ancrage, en sous face dudit dispositif de support et de raccordement, et que les moments de flexion subis par la pièce de transition d'inertie sont repris par le premier pieu d'ancrage enfoncé au fond de la mer et non par ladite embase, de sorte qu'il est possible de mettre en oeuvre une embase relativement de faible poids et faible volume.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à la lumière de la description détaillée qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référence aux dessins sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue de côté d'une installation de liaison fond-surface 1 selon l'invention comportant une conduite rigide 9 de type Riser encastrée en partie basse dans un premier pieu 6 traversant une embase 4 et reliée à son extrémité supérieure 9b à une conduite flexible 10 flottante sur une partie terminale 10a de sa longueur, l'autre extrémité de la conduite étant reliée à un FPSO ("Floating Production Storage Offloading") 12,
    • la figure 2A est une vue de côté de l'installation de la liaison fond-surface dans son embase en cours de mise en place à partir d'un navire de travail 20,
    • la figure 2B est une vue de côté de la mise en place d'un dit premier pieu d'ancrage 6 dans une embase supportant l'extrémité d'un conduite sous-marine reposant sur le fond de la mer,
    • la figure 2C est une vue de côté de l'extrémité inférieure du riser 9 avec une pièce de transition d'inertie 8 au niveau de son raccordement avec un dispositif de support et de raccordement 5 comprenant un insert tubulaire d'ancrage 5e à l'intérieur dudit pieu d'ancrage 6,
    • la figure 3 est une vue de côté de l'installation de la liaison fond-surface, en cours de mise en place, après engagement de l'insert d'ancrage 5e dans le pieu d'ancrage 6,
    • les figures 3A et 3B représentent en vue de côté et en coupe deux variantes d'embase du raccordement à une conduite reposant au fond de la mer d'une installation de liaison fond-surface selon l'invention,
    • la figure 4 est une vue en coupe et en vue de côté d'une pièce de transition 8 massive en acier, de forme conique, installée à l'extrémité inférieure du riser 9,
    • les figures 5A-5B-5C sont des vues en coupe et en vue de côté, d'une version préférée de réalisation d'une pièce de transition constituée d'empilements de conduites acier coaxiales, les interstices étant remplis de matériaux élastomères sur les figures 5B et 5C,
    • la figure 6 est un diagramme illustrant la variation de l'inertie des pièces de transition selon la figure 5C.
    • la figure 7 est une vue de côté d'une liaison en sub-surface en configuration de W entre un FPSO et une bouée de déchargement, comportant à chacune de ses extrémités une pièce de transition selon l'invention.
  • Sur la figure 7 on a représenté en vue de côté un FPSO 12 relié à une bouée de déchargement 12b par une conduite d'exportation de pétrole brut 12c constituée d'une conduite rigide en acier de fort diamètre, ladite conduite acier étant équipée à chacune de ses extrémités d'une pièce de transition 8 selon l'invention. De telles pièces de transition 8 sont avantageusement utilisées aux extrémités des conduites rigides 12c dès lors qu'elles sont solidarisées avec un élément de raccordement de conduite 13, de préférence comportant une bride de fixation ou tout autre équipement de raideur supérieure à celle de la conduite rigide 12c.
  • Dans la figure 1 on a représenté une installation de liaison fond-surface 1 reliant une conduite sous-marine 2 reposant sur le fond de la mer 3 à un support flottant de type FPSO 12 en surface amarré par des lignes d'ancre 12a.
  • Une installation selon l'invention comprend depuis le support 12 en surface jusqu'à une embase 4 au fond de la mer, les éléments suivants :
    1. a) une conduite flexible 10 comprenant une première partie 10b concave qui s'étend depuis l'extrémité 10e de la conduite flexible fixée au support flottant 12 jusqu'à environ la moitié de la conduite flexible sous forme d'une configuration en chaînette plongeante de par sa flottabilité négative jusqu'à un point d'inflexion en 10d sensiblement à la moitié de longueur de la conduite flexible, la partie terminale 10a s'étendant depuis le point central d'inflexion 10d jusqu'à l'extrémité 10c de la conduite flexible présentant une flottabilité positive de par une pluralité de flotteurs 10f de préférence régulièrement espacés le long et autour de ladite portion terminale 10a de conduite flexible, et
    2. b) une conduite rigide montante en acier 9 ou « riser vertical » équipée de moyens de flottabilité, non représentés, tels des demi-coquilles de mousse syntactique réparties de préférence de manière uniforme sur tout ou partie de la longueur de ladite conduite rigide, et comprenant à son extrémité inférieure une pièce de transition d'inertie 8 équipé d'une première bride de fixation 9a à son extrémité inférieure. La première bride de fixation 9a est fixée sur une deuxième bride de fixation 5a constituant la partie supérieure d'un dispositif de support et de raccordement 5, lui-même ancré sur le premier pieu 6 solidaire de l'embase 4 reposant au fond de la mer, ledit dispositif de support et raccordement 5 permettant le raccordement de l'extrémité inférieure du riser 9 à une conduite 2 reposant au fond de la mer, comme explicité ci-après.
  • La conduite flexible présente une variation de courbure continue, d'abord concave dans la partie configuration de chaîne plongeante 10b, puis convexe dans la portion terminale de flottabilité positive 10a avec un point d'inflexion 10d entre les deux, formant ainsi un S disposé dans un plan sensiblement vertical.
  • En opération, tel que représenté sur la figure 1, lorsque la partie supérieure de la conduite rigide 9 est inclinée selon une inclinaison γ par rapport à la verticale ZZ', l'extrémité 10c de la portion terminale de la flottabilité positive 10a de la conduite flexible reste sensiblement dans l'alignement axial Z'1Z' de l'extrémité supérieure 9b de la conduite rigide 9, et en tout état de cause en continuité de courbure avec celle-ci. Ceci confère une meilleure résistance mécanique à la fixation étanche 11 entre les deux conduites et permet d'éviter la mise en oeuvre d'un dispositif col de cygne tel que mis en oeuvre dans la technique antérieure.
  • L'intérêt de cette conduite flexible est de permettre de par sa portion initiale 10b plongeante d'amortir les excursions des supports flottants 12 de façon à stabiliser l'extrémité 10c de la conduite flexible reliée à une conduite rigide montante du riser vertical 1.
  • L'extrémité de la portion de la partie terminale flottante 10c de la conduite flexible porte un premier élément de bride de fixation 11 avec l'extrémité supérieure d'une conduite rigide s'étendant depuis le fond de la mer encastrée au niveau d'une embase 4 reposant au fond de la mer.
  • Le riser vertical 9 est « tensionné » d'une part par la flottabilité de la partie terminale 10a de la conduite flexible, mais d'autre part et surtout, par des flotteurs régulièrement répartis au moins sur la partie supérieure 9b, de préférence, tout le long de la conduite rigide, notamment sous forme de mousse syntactique faisant avantageusement fonction à la fois de système d'isolation et de flottabilité. Ces flotteurs et cette mousse syntactique peuvent être répartis le long et autour de la conduite rigide sur toute sa longueur ou, de préférence, seulement sur une portion de sa partie supérieure.
  • Ainsi, si l'embase 4 se trouve à une profondeur de 2500 mètres, on peut se borner à revêtir la conduite rigide 1 de mousse syntactique sur une longueur de 1000 m à partir de son extrémité supérieure, ce qui permet de mettre en oeuvre une mousse syntactique qui doit résister à une pression moindre que si elle devait résister à des pressions allant jusqu'à 2500 m, et donc d'un coût radicalement réduit par rapport à une mousse syntactique devant résister à ladite profondeur de 2500 m.
  • La conduite rigide 1 selon l'invention est donc « tensionnée » sans mise en oeuvre d'un flotteur en surface ou en sub-surface comme dans la technique antérieure, ce qui limite les effets du courant et de la houle, et de ce fait réduit radicalement l'excursion de la partie haute du riser vertical et donc les efforts en pied de riser au niveau de l'encastrement.
  • Le système bride de fixation 11 entre l'extrémité supérieure du riser vertical 9 et de la conduite flexible 10, et la connexion des brides de fixation 9a,5a entre l'extrémité inférieure à la pièce de transition d'inertie 8 et du dispositif de support à raccordement 5, réalisent des connexions étanches entre les conduites concernées.
  • L'embase 4 reposant au fond de la mer supporte un premier élément de conduite terminal 2a coudé ou incurvé de ladite conduite reposant au fond de la mer 2. Ce premier élément de conduite terminal coudé ou incurvé 2a comporte à son extrémité une première partie mâle ou femelle d'un connecteur automatique 7b, qui est dégagé latéralement par rapport à un orifice traversant 4a de ladite embase, mais positionné de manière fixe et déterminée par rapport à l'axe ZZ' dudit orifice.
  • Le dispositif de support et de raccordement 5, supporte un deuxième élément de conduite rigide coudé 5b comportant à son extrémité supérieure ladite deuxième bride de fixation 5a et à son extrémité inférieure, une deuxième partie femelle ou mâle d'un connecteur automatique 7a, complémentaire de la partie 7b.
  • Un premier pieu tubulaire d'ancrage 6 est descendu depuis un navire d'installation 20 en surface, puis enfoncé, de préférence battu de manière connue, à travers un orifice 4a traversant verticalement de part en part l'embase 4 jusqu'à ce qu'une excroissance périphérique 6a à l'extrémité supérieure dudit premier pieu 6 vienne coopérer avec une forme complémentaire 4c en partie supérieure dudit orifice 4a de l'embase. L'orifice 4a est légèrement plus grand que le premier pieu 6 pour le laisser librement coulisser. Et lorsque le battage dudit premier pieu est terminé, l'embase 4 se trouve ainsi clouée au sol sans pouvoir se déplacer latéralement ni pivoter autour d'un quelconque axe horizontal.
  • Eventuellement, on prévoit une pluralité d'orifices et de dits premiers pieux 6.
  • Dans le procédé de mise en place d'une installation de liaison fond-surface selon l'invention, la première étape consiste à descendre au fond de la mer depuis la surface, ladite embase équipée dudit premier élément de conduite terminal 2a de la conduite reposant au fond de la mer. Après ancrage de ladite embase par un dit premier pieu 6, on réalise l'ancrage de la pièce de transition 8 à l'extrémité inférieure du riser vertical par fixation sur le dispositif de support et raccordement 5, lui-même ancré sur ladite embase, formant ainsi un encastrement rigide de l'extrémité inférieure du riser vertical.
  • Le dispositif de support et de raccordement 5 est constitué d'éléments de structure rigide et raidisseur 5c supportant ladite deuxième bride de fixation 5a et ledit deuxième élément de conduite rigide coudée 5b, lesdits éléments de structure rigide 5c assurant également la liaison entre ladite deuxième bride de fixation 5a et une platine inférieure 5d supportant en sous-face un deuxième pieu tubulaire 5e dénommé insert tubulaire d'ancrage.
  • Lorsque l'embase 4 est ancrée au fond de la mer 3 comme représenté sur la figure 2A, on fabrique à bord du navire de surface 20 les divers éléments de liaison fond-surface, notamment l'assemblage des rames constituées d'une pluralité d'éléments de conduites standard, que l'on descend progressivement. On descend tout d'abord ledit dispositif 5 connecté de manière étanche à l'extrémité inférieure du riser vertical 9 par l'intermédiaire de la pièce de transition conique 8, puis l'intégralité du riser vertical équipé de ses éléments de flottabilité, et enfin la conduite de liaison flexible équipé de ses éléments de flottabilité fixée en continuité directe de l'extrémité supérieure du riser vertical 9.
  • L'assemblage et la pose de la conduite rigide 9 se font de façon classique depuis le navire 20 par assemblage d'éléments de conduites unitaires ou rames d'éléments unitaires stockés sur le navire de surface 20, et descendus au fur et à mesure selon une technique connue de l'homme de l'art et décrite notamment dans des demandes de brevets antérieures au nom de la demanderesse, à partir d'un navire de pose en J.
  • Lorsque l'intégralité de la conduite rigide 9 a été fabriquée et descendue au fond de la mer, on connecte de manière connue, par exemple au moyen de brides 11 l'extrémité supérieure de la conduite 9 à l'extrémité d'une conduite flexible 10, laquelle au fur et à mesure de son dévirage depuis le navire de pose 20 se présente tout d'abord sous forme verticale comme représenté sur la figure 2A de par le fait qu'elle est rendue flottante au moins dans sa partie terminale 10a par les éléments de flottabilité 10f régulièrement répartis sur la portion terminale 10a.
  • On notera également que la conduite rigide en acier 9 peut être de manière connue une conduite de type Pipe-in-Pipe comportant un système d'isolation dans l'espace annulaire entre les deux conduites coaxiales constituant le riser 9 et en outre un système d'isolation tel que de la mousse syntactique faisant office de système de flottabilité comme décrit ci-dessus.
  • Lorsque l'extrémité inférieure de l'insert tubulaire d'ancrage 5e, de préférence présentant une forme légèrement conique 5f est positionnée à proximité et à l'aplomb de l'orifice 4a de l'embase 4, on dirige avantageusement ledit insert tubulaire d'ancrage 5e, plus précisément grâce à un sous-marin automatique ou « ROV » 20a piloté depuis la surface. Ledit insert tubulaire 5e de longueur de 10 à 15 m rentre alors naturellement de par son propre poids dans ledit premier pieu tubulaire d'ancrage enfoncé au fond de la mer sur une profondeur de 30 à 70 m.
  • Le diamètre externe de l'insert tubulaire d'ancrage 5e peut être légèrement inférieur au diamètre interne du premier pieu 6, par exemple inférieur de 5 cm, ce qui facilite le guidage de l'insert tubulaire 5 à l'intérieur dudit premier pieu 6, tout en empêchant les mouvements transversaux dans un plan horizontal une fois que l'insert tubulaire 5 est complètement inséré comme représenté sur la figure 3.
  • A ce moment, un verrou 4b représenté en position rétractée sur la figure 2A est déplacé en position engagée comme sur les figures 1 et 3 de manière à venir bloquer la platine supérieure 5d de l'insert tubulaire 5e, à l'intérieur dudit premier pieu 6, empêchant ainsi tout déplacement vers le haut de l'ensemble de liaison fond-surface 1 qui se trouve encastré par l'intermédiaire du dispositif de support de raccordement 5 dans le premier pieu 6 solidaire de ladite embase 4.
  • Après avoir engagé le verrou 4b, on termine le dévirage de la conduite flexible comme représenté sur la figure 3 et l'on connecte l'extrémité supérieure de la conduite flexible à une bouée provisoire de sub-surface 21, elle-même reliée à un corps mort 21b reposant au fond de la mer par un câble 21a.
  • En procédant ainsi, on pré-installe avantageusement l'intégralité de la liaison fond-surface 1 avant la mise en place du FPSO 12, ce qui facilite grandement les opérations.
  • Une fois le support flottant 12 positionné en surface, on récupère l'extrémité 10e de la conduite flexible 10 que l'on vient alors connecter au dit support flottant FPSO 12 comme représenté sur la figure 1, et l'on récupère la bouée provisoire 21 ainsi que son corps mort 21b et son câble d'ancrage 21a.
  • L'insert tubulaire 5e transmet au dit premier pieu tubulaire 6, les moments de flexion dus aux efforts tranchants et transversaux subis au niveau de l'encastrement de la pièce 8 sur le dispositif 5.
  • Le système de fixation de l'extrémité supérieure de la conduite rigide 9 avec la conduite flexible 10 et le tensionnement desdites conduites confère une plus grande stabilité à l'extrémité supérieure de la conduite rigide 9 avec une variation angulaire γ ne dépassant pas en opération les 5°C.
  • Ainsi, il a été possible selon la présente invention de réaliser un encastrement rigide de l'extrémité inférieure de la conduite rigide en acier 9 sur l'embase 4 à l'aide du dispositif de support de raccordement 5. Pour ce faire, l'élément de conduite terminal inférieur de la conduite rigide 9 comprend une pièce de transition conique 8 dont l'inertie en section transversale augmente progressivement depuis une valeur sensiblement identique à l'inertie de l'élément de conduite du riser 9 auquel il est relié, dans la partie haute effilée de la pièce de transition 8, jusqu'à une valeur de 3 à 10 fois supérieure au niveau de sa partie basse reliée à ladite première bride de fixation 9a. Le coefficient de variation d'inertie dépend essentiellement du moment de flexion que doit supporter le riser vertical au niveau de ladite pièce de transition, ledit moment étant fonction de l'excursion maximale de la partie supérieure de la conduite rigide en acier 9, donc de l'angle γ. Pour réaliser cette pièce de transition 8 on utilise des aciers à haute limite élastique et dans les cas extrêmes de contrainte, on peut être amené à fabriquer des pièces de transition 8 en titane.
  • Sur la figure 4, on a représenté une pièce de transition cylindro-conique 8 présentant une épaisseur variable augmentant progressivement depuis la partie haute effilée 81 jusqu'à la partie basse plus épaisse 82 avec un diamètre interne constant correspondant au diamètre interne d'une conduite rigide standard et en tout état de cause, au diamètre interne dudit deuxième élément de conduite rigide 6.
  • Dans une version préférée de l'invention, représentée en coupe et en vue de côté sur les figures 5A-5B-5C, la pièce de transition 8 est constituée d'un élément de conduite principal en acier 8a, de préférence de diamètre interne d1 identique à celui de la partie courante de la conduite 9, et de préférence d'épaisseur égale ou légèrement supérieure à celle de ladite partie courante de ladite conduite 9, et d'épaisseur égale à celle dudit deuxième élément de conduite coudé 5b. Pour obtenir une augmentation de l'inertie au fur et à mesure que l'on se rapproche de la bride d'encastrement 9a, on dispose d'une succession d'éléments de conduites coaxiaux (8b-8d) de hauteurs (h2,h3,h4) décroissantes, chacun des desdits éléments de conduites coaxiaux ayant un diamètre interne (d2-d4) supérieur au diamètre externe D1-D3 de l'élément de conduite coaxial précédent qu'il contient et une longueur ou hauteur inférieure à la longueur de l'élément de conduite précédent, c'est-à-dire l'élément de conduite qu'il contient ou qu'il recouvre, et une épaisseur fonction de l'augmentation de raideur recherchée.
  • Ainsi, sur la figure 5A, on a représenté une pièce de transition 8 comportant un premier élément de conduite interne 8a et trois élément de conduite de renfort coaxiaux 8b-8c-8d de diamètres d2-d3-d4 croissants et de longueurs h2-h3-h4 décroissantes, chacun desdits éléments de conduite coaxiaux étant solidaire à son extrémité inférieure de la même dite première bride 9a. Pour assurer une variation sensiblement continue de l'inertie entre la partie haute de faible inertie de la pièce de transition 8, et la partie basse de forte inertie située au raccordement avec la bride 9a, on injecte avantageusement dans les espaces annulaires entre lesdits éléments de conduites coaxiaux, un matériau 8e élastomère, tel un polyuréthanne, dont on ajuste la dureté shore pour obtenir la variation de raideur recherchée, notamment une dureté shore de A50 à D70.
  • On peut se contenter d'injecter ledit matériau rigide 8e seulement dans les interstices annulaires entre les éléments de conduite coaxiaux, comme représenté sur la figure 5C. Mais, selon l'invention on installe un moule de manière à obtenir une pièce cylindro-conique telle que représentée sur la figure 5B, ce qui permet d'effectuer en une seule opération le renforcement de la pièce de transition et sa protection vis-à-vis de l'agression du milieu extérieur par un revêtement externe lui conférant ainsi une forme cylindro-conique avec une transition d'inertie régulière et continue. On aura pris soin de ne pas recouvrir de résine thermodurcissable la partie supérieure de la pièce de transition sur une longueur de 20 à 50cm de manière à pouvoir l'assembler à bord du navire d'installation 20, par soudage à l'extrémité inférieure de la conduite rigide 9.
  • On comprend que pour fabriquer la pièce de transition 8 selon l'invention, on procède comme suit :
    • on soude l'extrémité inférieure du premier élément de conduite principale 8a de plus grande longueur sur la bride 9a, et
    • on insère autour dudit premier élément de conduite principal 8a un premier élément de conduite de renfort 8b coaxial dont on soude l'extrémité inférieure sur la même bride 9a, et
    • on insère la deuxième conduite de renfort 8c autour du premier élément de conduite de renfort 8b, et on soude son extrémité inférieure sur la bride 9a, et
    • on insère un troisième élément de conduite de renfort 8d de plus petite hauteur autour du deuxième élément de conduite de renfort 8c, et on soude son extrémité inférieure sur la bride 9a, et
    • on injecte un matériau thermoplastique ou thermodurcissable entre les divers éléments de conduites, et le cas échéant on revêt leur surface externe à l'aide d'un un moule cylindro-conique pour obtenir la rigidité et variation d'inertie et protection contre la corrosion recherchées.
  • Sur la figure 6, on a représenté le diagramme de variation de l'inertie I en ordonnée entre la bride 9 et l'extrémité supérieure de la pièce de transition 8 des figures 5B et 5C. L'escalier 30 en pointillé représente la variation de la section d'acier en l'absence de matériau de couverture et remplissage au niveau de chacun des éléments de conduites de renfort. Les courbes 31-32-33 représentent la variation de l'inertie (ΣEI) de la pièce de transition 8 des figures 4 et 5C en fonction de sa longueur, selon le type de matériau de remplissage. La courbe 33, de forme parabolique est obtenue avec un matériau de remplissage de type polyuréthane de dureté shore A90 ou A95, et constitue une version préférée de l'invention. La courbe 31 est obtenue avec un matériau beaucoup plus raide, tel un ciment à très hautes performances, seul ou en combinaison avec une charge pulvérulente, tel un sable.
  • A titre d'exemple, une pièce de transition de 18m de longueur h1 est réalisée à l'aide d'une bride 9a de 200 mm d'épaisseur sur laquelle on soude un élément de conduite principale 8a de diamètre externe d1 = 323.85mm, d'épaisseur 20.6mm et de longueur h1 = 18m, d'un premier renfort coaxial 8b de diamètre externe d2 =457.20mm, d'épaisseur 12.7mm et de longueur h2 = 12m, d'un second renfort coaxial 8c de diamètre externe d3 =609.6mm, d'épaisseur 6mm et de longueur h3 = 6m. Puis on surmoule le tout, soit en position verticale, soit en position oblique avec une pente de 5 à 30% pour faciliter le remplissage et éviter les vides, à l'aide d'une résine polyuréthanne 8e de dureté shore A90 ou A95. L'espace entre la première conduite 8a et le premier renfort 8b est de 53.98mm, et l'espace entre le second renfort et le premier renfort est de 70.2mm. L'augmentation de l'inertie est sensiblement d'un facteur k=3 au niveau du premier renfort 8b, et d'un facteur k=5 au niveau du second renfort 8c. Lors de la coulée, on effectue avantageusement des cycles de dépression dans le moule en cours de remplissage de manière à éliminer au maximum les bulles d'air indésirables. En effet, du fait que la pièce de transition a pour vocation d'être installée à très grande profondeur, la pression hydrostatique peut avoir des effets préjudiciables sur le fonctionnement mécanique d'ensemble suite à un effondrement sur elle-même desdites bulles due à ladite pression qui est sensiblement de 10MPa par tranche de 1000m d'eau.
  • Sur la figure 3A, on a décrit l'invention avec une embase 4 posée en même temps que la conduite sous-marine reposant sur le fond, ladite embase étant stabilisée par un premier pieu 6 la traversant. Mais on reste dans l'esprit de l'invention en considérant comme sur la figure 3B une embase 4 constituée par une ancre à succion, présentant un orifice, de préférence circulaire intégré à ladite ancre à succion et jouant le rôle de pieu 6 et capable de recevoir l'insert d'ancrage 5e. Ainsi, le dispositif de support et de raccordement 5 à l'extrémité inférieure de la liaison fond-surface se trouve encastré directement dans l'ancre à succion dont le poids atteint 25 à 50 tonnes pour un diamètre de 3 à 5m et une hauteur de 20-25m. Dans cette configuration, la conduite sous-marine 2 est posée de manière indépendante et nécessite de ce fait une conduite de jonction 7 fabriquée à la demande après installation de la liaison fond-surface et de la conduite sous-marine 2. Ladite conduite de jonction 7 nécessite alors deux connecteurs automatiques 7a-7a1,7b1-7b, un à chacune de ses extrémités, alors que la version décrite en référence à la figure 3A ne nécessite qu'un seul connecteur automatique 7a-7b.
  • L'invention a été décrite dans une version préférée fabriquée et simultanément installée sur site à partir d'un navire de pose 20, mais on reste dans l'esprit de l'invention avec une préfabrication de l'ensemble complet sur un chantier à terre, l'ensemble étant ensuite remorqué sensiblement à l'horizontale jusqu'au site, puis enfin cabané en vue de l'insertion de l'insert d'ancrage 5e dans le premier pieu tubulaire 6.

Claims (14)

  1. Elément de conduite de transition d'inertie (8) comprenant un élément de conduite rigide principale (8a) comprenant à une extrémité une pièce de transition d'inertie, constituée par au moins une, de préférence une pluralité (n) d'éléments de conduite de renfort coaxiaux (8b-8d) disposés coaxialement au dit élément de conduite principale (8a), chaque dit élément de conduite de renfort (8b-8d) présentant un diamètre interne (di+1) supérieur au diamètre externe (D1,Di) de l'élément de conduite principal et le cas échéant au(x) autre(s) élément(s) de conduite de renfort qu'il contient, les différents éléments de conduite principale (8a) et élément(s) de conduite de renfort (8b-8d) étant positionné(s) avec une de leur extrémités située au même niveau selon la direction de l'axe de symétrie (Z1Z'1) desdits éléments de conduite, et chaque dit élément de conduite de renfort (8b-8d) présentant une longueur (hi, avec i = 2 à n) inférieure à celle (h1) de l'élément de conduite principale (8a) et le cas échéant celle des autres éléments de conduite de renfort (hi-1) qu'il contient, l'espace annulaire (Di - di+1) entre les différents éléments de conduite étant remplis d'un matériau de remplissage solide (8e),
    caractérisé en ce que :
    - ledit espace annulaire est entièrement rempli sur toute sa hauteur par un même matériau solide de remplissage comprend de préférence un matériau élastomère, de préférence encore à base de polyuréthanne, présentant une dureté shore supérieure ou égale à A50, de préférence encore de A50 à D70, et
    - ledit élément de transition d'inertie est recouvert d'un matériau de couverture élastomère résistant à la corrosion, de préférence de type polyuréthane, ledit élément de conduite terminale de transition d'inertie présentant une forme sensiblement cylindro-conique de par son revêtement par ledit matériau de couverture, ladite forme cylindro-conique consistant en une variation de diamètre en section transversale le long de sa direction longitudinale axiale augmentant de façon continue depuis l'extrémité de plus petit diamètre jusqu'à l'extrémité de plus grand diamètre.
  2. Elément de conduite de transition d'inertie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau de couverture et ledit matériau de remplissage comprennent un même matériau élastomère, de préférence à base de polyuréthanne.
  3. Elément de conduite de transition d'inertie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau solide de remplissage comprend un polyuréthanne de dureté shore A90 OU A95.
  4. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit matériau de remplissage comprend un élastomère chargé de matériau particulaire, de préférence du sable.
  5. Elément de conduite de transition d'inertie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau solide de remplissage se présente sous forme d'un liant hydraulique tel que du ciment.
  6. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la différence de longueur entre les différents éléments de conduite de renfort coaxiaux (hi -hi+1) est sensiblement constante et égale à h 1 × 1 n .
    Figure imgb0002
  7. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que l'espace annulaire entre deux desdits éléments de conduite (Di+1-di) est supérieur ou égal à l'épaisseur dudit élément de conduite de plus petite épaisseur et inférieur ou égal à deux fois l'épaisseur dudit élément de conduite de plus grande épaisseur délimitant ledit espace annulaire.
  8. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur dudit élément de conduite principale (8a) est de 10 à 50 m de préférence de 20 à 30 m et il comprend 2 ou 3 desdits éléments de renfort coaxiaux (8b-8d).
  9. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que les différents éléments de conduite principale (8a) et conduite de renfort coaxiaux (8b-8d) sont fixés à une même platine inférieure (9a) constituée d'une première bride de fixation (9a) apte à permettre sa connexion étanche à une deuxième bride de fixation (5a) à l'extrémité d'un élément de conduite rigide terminal (2a) d'une autre conduite rigide (2).
  10. Elément de conduite de transition d'inertie selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que lesdits éléments de conduite principale (8a) et éléments de conduite de renforts coaxiaux (8b-8d) sont constitués chacun de tout ou partie d'un élément unitaire de conduite standard, notamment de conduite sous-marine en acier, ou sont constitués chacun de plusieurs éléments unitaires de conduite standard assemblés bout à bout et de préférence, maintenus coaxialement par des cales de centrage 18 réparties régulièrement le long de leur direction longitudinale et sur leur section circulaire dans leurs espaces annulaires.
  11. Elément de conduite selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que ledit espace annulaire est entièrement rempli d'un même matériau de remplissage assurant ainsi une variation d'inertie progressive et continue le long de ladite pièce de transition sur toute sa hauteur.
  12. Conduite rigide sous-marine, de préférence une conduite de liaison fond-surface, comprenant au moins à l'une de ses extrémités un dit élément de conduite de transition d'inertie (8) selon l'une des revendications 1 à 11, ledit élément de conduite principale (8a) présentant de préférence une épaisseur (D1-d1) supérieure ou égale à celle de ladite conduite rigide sous-marine (9,12c), et un diamètre intérieur (d4) sensiblement identique.
  13. Procédé d'encastrement rigide de l'extrémité d'une conduite rigide selon la revendication 12 pour son raccordement a un équipement de raideur supérieure à celle de ladite conduite rigide.
  14. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que ledit équipement de raideur supérieure est constitué d'un élément de raccordement de conduite (13,5a-5b) comportant de préférence une bride de fixation, ledit élément étant situé au niveau d'une embase (4) reposant au fond de la mer, ou du bordé d'un support flottant (12) ou d'une bouée (12b) en surface ou subsurface.
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