EP3209593A1 - Systeme de compensation de pilonnement pour un element accroche a une installation mobile - Google Patents

Systeme de compensation de pilonnement pour un element accroche a une installation mobile

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Publication number
EP3209593A1
EP3209593A1 EP15759713.9A EP15759713A EP3209593A1 EP 3209593 A1 EP3209593 A1 EP 3209593A1 EP 15759713 A EP15759713 A EP 15759713A EP 3209593 A1 EP3209593 A1 EP 3209593A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
muffle
pulley
link
axis
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15759713.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claude Mabile
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP3209593A1 publication Critical patent/EP3209593A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/002—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling
    • E21B19/004—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling supporting a riser from a drilling or production platform
    • E21B19/006—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables specially adapted for underwater drilling supporting a riser from a drilling or production platform including heave compensators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/02—Devices for facilitating retrieval of floating objects, e.g. for recovering crafts from water
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B27/00—Arrangement of ship-based loading or unloading equipment for cargo or passengers
    • B63B27/30—Arrangement of ship-based loading or unloading equipment for transfer at sea between ships or between ships and off-shore structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/52—Details of compartments for driving engines or motors or of operator's stands or cabins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66D—CAPSTANS; WINCHES; TACKLES, e.g. PULLEY BLOCKS; HOISTS
    • B66D1/00—Rope, cable, or chain winding mechanisms; Capstans
    • B66D1/28—Other constructional details
    • B66D1/40—Control devices
    • B66D1/48—Control devices automatic
    • B66D1/52—Control devices automatic for varying rope or cable tension, e.g. when recovering craft from water
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/08—Apparatus for feeding the rods or cables; Apparatus for increasing or decreasing the pressure on the drilling tool; Apparatus for counterbalancing the weight of the rods
    • E21B19/09—Apparatus for feeding the rods or cables; Apparatus for increasing or decreasing the pressure on the drilling tool; Apparatus for counterbalancing the weight of the rods specially adapted for drilling underwater formations from a floating support using heave compensators supporting the drill string

Definitions

  • the present invention relates to the field of motion compensation of a mobile element suspended from a mobile installation.
  • the invention relates more particularly to the compensation of a heave movement of an offshore installation (offshore) for an offshore drilling tool, for a riser or for a tool for installing a sea pressure shutter block.
  • the swell causes, among other effects, the heave, that is to say an oscillatory movement of vertical translation, floating devices.
  • these support tools such as drilling tools, it is necessary to compensate the heave so that the tool is permanently in contact with the bottom of the hole.
  • the type of device of the third family conventionally solves the problem of compensation for heave by making mobile a first muffle, said muffle fixed (in English "crown block”) and also includes a second muffle, said muffle mobile (in English "traveling block ").
  • the first muffle is said fixed because it is fixed relative to the mobile installation and the second muffle is said to be mobile because it is mobile with respect to the mobile installation.
  • the second muffle is made substantially fixed with respect to the seabed. It is recalled that a muffle is a mechanical device for lifting a load by several strands of cable.
  • this type of device generally comprises at least one jack connected to accumulators, in particular pneumatic. These accumulators occupy a large volume, which is penalizing, in particular for an offshore application.
  • the present invention relates to a motion compensation system for an element attached to a mobile installation, the system comprising two mittens, at least two articulated arms, a compensation cylinder, a cable.
  • at least one characteristic length of the articulated system (for example: the length of a rod or the distance between two pulleys of two articulated arms) is controlled according to the movement to reduce the error and therefore improve the compensation some movement.
  • the invention relates to a system for compensating a movement for an element attached to a mobile installation, said system comprising a first muffle and a second muffle for hanging said element, said first muffle being connected to said mobile installation by means of at least two articulated arms, each articulated arm comprising at least one pulley, said system comprising a cable fixed on holding means and passing through the pulleys of said articulated arms and by said first and second mittens, said system further comprising at least one compensation cylinder connected to said first muffle and said mobile installation.
  • the system comprises means for adjusting at least a characteristic length of said articulated arms is adjusted according to said movement.
  • each of said articulated arms comprises at least one link
  • said characteristic length of said articulated arms is the length of said link and / or the horizontal distance separating the axes of said pulleys from said two articulated arms and / or the distance horizontal between the axis of said first muffle and the axis of said pulley said articulated arm and / or the vertical distance between the low position of the axis of said pulleys of said first muffle and the axis of said pulley of said articulated arm.
  • each of said articulated arms comprises a return pulley connected to said mobile installation, an intermediate pulley, a first link between said return pulley and said intermediate pulley and a second link between said intermediate pulley and said first muffle.
  • said adjusted characteristic length is determined by minimizing the error function defined by a formula of the form:
  • V 0 reference volume of the compensation cylinder
  • N number of pulleys
  • said return pulley is connected to said mobile installation by controlled means of adjustable length.
  • At least one of said links comprises a hydraulic cylinder, pneumatic or electric, controlled in position.
  • only a length of a link or only the distance between the axes of said pulleys is controlled.
  • said first and second muffles are aligned vertically and said movement is vertical.
  • said mobile installation is an installation at sea, in particular a ship.
  • said element is a drilling tool or a riser or a tool for laying parcels.
  • said compensation cylinder is a pneumatic cylinder powered by at least one accumulator.
  • said cable retaining means may comprise at least one winch.
  • the invention relates to the use of a compensation system according to the invention for the support of drilling tools and / or for a riser and / or for a tool for installing a pressure shutter block at sea.
  • Figure 1 illustrates a compensation system for two different positions.
  • Figure 2 illustrates an articulated arm of a compensation system.
  • FIG. 3 is a curve illustrating the variation of the length of a first link of an articulated arm as a function of the heave H.
  • FIG. 4 is a curve illustrating the variation of the length of a second link of an articulated arm as a function of the heave H.
  • the present invention relates to a motion compensation system for an element attached to a mobile installation.
  • the compensation system comprises:
  • a first muffle equipped with at least one pulley
  • a second muffle on which is hung the element, the second muffle being equipped with at least one pulley; preferably the first and second muffles are aligned vertically,
  • an articulated system comprising at least two articulated arms, preferably two or four arranged symmetrically, the articulated system connecting the mobile installation to the first muffle, each articulated arm comprising at least one pulley, a cable fixed by retaining means to the mobile installation and passing through the pulleys of the articulated arms and the first and second muffles, the cable forming at least one loop around the first and second mittens, the means for retaining the cable on the mobile installation may comprise at least one winch for adjusting the length of the cable, and at least one jack, said compensation cylinder, one end is connected to the first muffle and the other end is connected to the mobile installation; the cylinder is powered by at least one accumulator, for example by an oleopneumatic connection.
  • the movement of the mobile installation (eg heave) is largely compensated by the movement of the first muffle relative to the mobile installation.
  • the second muffle is stationary relative to a fixed reference.
  • the movement of the first muffle is controlled by the compensation cylinder and is enabled by the articulated system.
  • At least one characteristic length of the articulated system is adjustable and adjusted (driven) according to the movement, so as to reduce the compensation error and thus increase the compensation of the system.
  • the characteristic length of the articulated system is adjusted continuously, in real time, during the use of the compensation system.
  • the adjusted characteristic length (controlled) depends on the geometry (design) of the articulated system. This is a design length of the articulated system that is variable. This characteristic length is not a distance that varies by the displacement of the compensation cylinder. It may be the length of one of the parts of the articulated system, for example a link, or the distance of a pulley from the system articulated to the axis of the mittens, or the distance between two pulleys of the articulated system.
  • the characteristic lengths of the articulated system are adjusted (controlled) simultaneously in the same way, if the system is symmetrical.
  • the characteristic length is therefore variable, which is contrary to the compensation systems of the prior art, for which the characteristic lengths (lengths of parts, pulley-muffle distances, pulley-pulley distances) are constant. In the remainder of the description, the compensation system is described in the case of offshore use.
  • FIG. 1 represents a compensation system according to one embodiment of the invention in two positions (low in FIG. 1a, and high in FIG. 1b) as a function of the sea level.
  • the compensation system 1 is installed on an offshore mobile facility.
  • the compensation system allows to hang an element (not shown) on a second muffle 3 via a hook.
  • the compensation system 1 further comprises a first muffle 2, two articulated arms 4 connected on the one hand to a support 13 connected to the mobile installation and secondly to the first muffle 2, two compensation cylinders 5 connected to accumulators 1 1 by means of an oleopneumatic system 12 which serves as an interface between the hydraulic cylinders 5 and the pneumatic accumulators 1 1 and a cable 10 passing through the pulleys of the articulated arms 4 and the first and second muffles 2 and 3.
  • the cylinders 5 are connected to the mobile installation 13 and the first muffle 2. As shown, the first muffle 2 , the second muffle 3 and the hung element are aligned vertically, and the movement to compensate is a vertical movement.
  • each articulated arm 4 comprises a return pulley 6 connected to the mobile installation 13, an intermediate pulley 7, a first link 8 between the return pulley 6 and the intermediate pulley 7 and a second link 9 between the intermediate pulley 7 and the first muffle 2.
  • each articulated arm may be formed of connecting rods connecting pulleys.
  • each articulated arm may comprise a return pulley connected to the mobile installation, an intermediate pulley, a first link between the return pulley and the intermediate pulley, and a second link between the intermediate pulley and the first muffle.
  • each articulated arm may further comprise a second intermediate pulley, and a third link between the two intermediate pulleys.
  • the characteristic length of the articulated system which is adjustable and adjusted according to the movement, can be in particular the length of one of the links of the articulated system, the horizontal distance between the axis of the pulleys of the first muffle and the return pulley, etc.
  • the rods may be of adjustable length, and may include pneumatic cylinders, hydraulic or electric.
  • the power supply pneumatic, hydraulic or electric
  • the rods of adjustable size can be implemented by mechanical devices comprising a spring.
  • each return pulley can be connected to the mobile installation by controlled means of adjustable length, in particular an electric, pneumatic or hydraulic jack for varying the horizontal and / or vertical distance. the axis of the pulley relative to the mobile installation.
  • the cylinder can be placed between the pulley and the mobile installation.
  • the power supply pneumatic, hydraulic or electric
  • the horizontal and / or vertical distance separating the return pulley and the axis of the first muffle or the horizontal and / or vertical distance separating two return pulleys is adjusted.
  • FIG. 2 diagrammatically represents an articulated arm of a compensation system according to one embodiment of the invention.
  • the following notations are used:
  • Rc radius of the pulley of the first muffle 2
  • V 0 reference volume of the compensation cylinder
  • N number of pulleys
  • the articulated system comprises a return pulley 6 of radius RI, an intermediate pulley 7 of radius R 1, a first link 8 of length B between the return pulley 6 and the intermediate pulley 7 and a second link 9 of length C between the intermediate pulley 7 and the pulley of the first muffle 2.
  • at least one of the links may be of adjustable length and controlled.
  • the first muffle 2 in the low position.
  • the compensation system comprises two compensation cylinders 5.
  • the path of the cable between the first block 2 and the return pulley 6 can have four variants:
  • angles ⁇ and ⁇ depend only on the lengths B and C and the radii of the pulleys.
  • angles ⁇ and ⁇ depend on H which varies with the movement of the mobile installation (heave). But these angles also depend on the lengths A, B, C and G which are derived from the sizing of the compensator.
  • the invention consists in varying one of these parameters: lengths A, B, C and G as a function of H to cancel the error defined by means of the preceding equations.
  • the geometric factor Gf (see above) depends only on angles which are themselves functions of the geometric quantities A, B, C and G. Gf also depends on H. H is a function of time since it represents the movement of the mobile installation (for example the heave of the drill ship).
  • U is a constant related to the design of the system.
  • Q is the hanging weight (hooked to the second mitt) minus the WOB (weight set on the hung element). Since the purpose of the compensation system is to keep the parameter WOB constant, we consider Q constant. So the effort Fm depends only on the lengths A, B, C, G and H.
  • the effort Fa depends on constants (Q, U, Vo and De 0 ). From, which is the stroke of the cylinder, varies according to H constant, w being
  • the error function E therefore depends only on the lengths A, B, C, G and H. If one of the quantities A, B, C or G is varied as a function of time, this function can be made independent of H.
  • the function connecting the length A, B, C or G to H to cancel the error E is unambiguous: for a given H, there is only one A, B, C or G which makes it possible to cancel the 'error.
  • the lengths A and B may be adjusted by means of rods of adjustable length, which may comprise at least one jack.
  • the lengths C and G can be adjusted by adjusting the horizontal and vertical position respectively of the return pulley, in particular by means of an adjustment cylinder (arranged respectively horizontally and vertically) placed between the mobile installation and the pulley.
  • H being the distance between the axis of the first muffle and the axis of the return pulley, the direct measurement of this distance can be implemented.
  • this distance which may represent the heave of the mobile installation, is also a function of the lengths B or C.
  • Another solution may be to measure the heave of the mobile installation. From this measurement, the length H is deduced by subtracting from the measurement the length G which is a design constant of the compensation system. And we can directly control A, B, C or G from the knowledge of H. This solution eliminates a retro-control loop control.
  • the compensation system according to the invention can be used in particular to compensate for the heave of a ship during a drilling operation at sea, during the installation of a riser (in English "riser"), for a tool of installation of a sea pressure shutter block, or resumption of the bottom to restart the drilling.
  • the mobile installation is a floating installation, in particular a ship, and the hung element is a drilling tool or a riser or a pipe laying tool at sea.
  • the compensation system according to the invention makes it possible to cancel the compensation error inherent in the systems of the prior art.
  • the invention also makes it possible to compensate for heave even when the element (for example a drilling tool) is not supported on the seabed (for example the bottom of the well).
  • the compensation systems according to the prior art all aim to maintain constant hook tension during use (for example during drilling).
  • the prior art heave compensators are ineffective because the hook tension does not vary during a heave period.
  • the vertical accelerations induced by the heave are then too weak to be detected by these systems.
  • the control, according to the invention of a characteristic length of articulated arms according to the heave makes it possible to keep the hook at a fixed vertical distance from the seabed.
  • the design of the articulated arm with rods of adjustable length or with means for varying the distances of the articulated system reduces the volume of the accumulators of the compensation cylinder.
  • FIG. 3 illustrates the variations of the length B which cancel the error E for each heave height H. It is noted that the length B varies from 2.25 m to 4.20 m, ie a stroke of 1.95 m. The variation of the length B of the first rod also causes a variation of the cable length of 0.93 m.
  • Figure 4 shows the variations of the length C which cancel the error E for each heave height H. It is noted that the length C varies from 2.30 m to 9.37 m, ie a stroke of 7.07 m. The variation of the length C of the second link also causes a variation of the cable length of 9.67 m. It is therefore possible to cancel the error of the heave compensation system of the prior art by adjusting either the horizontal and / or vertical position of the return pulley, or the length of one of the two links depending on the heave H of the drill ship.

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Abstract

Il est proposé un système de compensation (1) d'un mouvement pour un élément accroché à une installation mobile, ledit système (1) comprenant deux moufles (2, 3), au moins deux bras articulés (4), un vérin de compensation (5), un câble (10). Au moins une longueur caractéristique (A, B, C, G) du système articulé (par exemple: la longueur d'une biellette ou la distance entre deux poulies de deux bras articulés) est ajustée en fonction du mouvement à compenser.

Description

SYSTEME DE COMPENSATION DE PILONNEMENT POUR UN ELEMENT ACCROCHE A
UNE INSTALLATION MOBILE
La présente invention concerne le domaine de la compensation de mouvement d'un élément mobile suspendu à une installation mobile. L'invention concerne plus particulièrement la compensation d'un mouvement de pilonnement d'une installation offshore (en mer) pour un outil de forage en mer, pour une colonne montante ou pour un outil de pose d'un bloc obturateur de pression en mer. En effet, en mer, la houle provoque, entre autres effets, le pilonnement, c'est-à-dire un mouvement oscillatoire de translation verticale, des engins flottants. Quand ceux-ci supportent des outils, tels que des outils de forage, il est nécessaire de compenser le pilonnement afin que l'outil soit en permanence en contact avec le fond du trou.
Pour compenser de tels mouvements, il existe trois grandes familles de dispositifs : - les dispositifs que l'on place dans la garniture de forage,
- les dispositifs que l'on intercale entre la garniture et le système de levage de l'appareil de forage, et
- les dispositifs que l'on intègre dans le système de levage.
Le type de dispositif de la troisième famille résout classiquement le problème de compensation du pilonnement en rendant mobile un premier moufle, dit moufle fixe (en anglais « crown block ») et comporte également un deuxième moufle, dit moufle mobile (en anglais « travelling block »). Le premier moufle est dit fixe car il est fixe par rapport à l'installation mobile et le deuxième moufle est dit mobile car il est mobile par rapport à l'installation mobile. Toutefois, par l'intermédiaire du compensateur de pilonnement, le deuxième moufle est rendu sensiblement fixe par rapport au fond de la mer. On rappelle qu'un moufle est un dispositif mécanique permettant le levage d'une charge par plusieurs brins de câble.
De plus, ce type de dispositif comporte généralement au moins un vérin relié à des accumulateurs, notamment pneumatiques. Ces accumulateurs occupent un grand volume, ce qui est pénalisant, en particulier pour une application offshore.
Les documents KR 2012035432 et CN 101654145 décrivent des exemples de système de compensation.
Une grandeur importante pour un tel dispositif est la variation de l'effort à exercer sur le premier moufle (« crown block ») en fonction de la course de l'installation mobile par rapport à une valeur constante qu'il devrait supporter sans pilonnement. L'écart entre l'effort réel et cette valeur constante est qualifiée d'erreur. En outre, le document FR 2575452 (US 5520369) décrit un tel dispositif comprenant deux moufles, au moins un vérin de compensation relié à des accumulateurs, un câble, et deux bras articulés qui comprennent des poulies et des tiges permettant de compenser un mouvement pour un élément accroché sur une installation mobile. Ce système permet de diminuer le volume des accumulateurs par une géométrie adaptée des bras articulés. Toutefois, ce système n'est pas parfait : une erreur subsiste entre l'effort réel et la valeur constante, car la consigne de pression du vérin n'est pas constante étant donné que le volume des accumulateurs est limité et que la constante spécifique des gaz parfaits γ de l'air qui est contenu dans les accumulateurs est différente de un. Par ailleurs, le système de bras articulé ne permet pas de rattraper toute l'erreur précédente. L'erreur restante provoque une variation du poids pendu en cours de forage empêchant le foreur d'appliquer rigoureusement la consigne de poids sur l'outil.
La présente invention concerne un système de compensation d'un mouvement pour un élément accroché à une installation mobile, le système comprenant deux moufles, au moins deux bras articulés, un vérin de compensation, un câble. Selon l'invention au moins une longueur caractéristique du système articulé (par exemple : la longueur d'une biellette ou la distance entre deux poulies de deux bras articulés) est pilotée en fonction du mouvement pour diminuer l'erreur et par conséquent améliorer la compensation du mouvement.
Le système selon l'invention
L'invention concerne un système de compensation d'un mouvement pour un élément accroché à une installation mobile, ledit système comportant un premier moufle et un deuxième moufle servant à accrocher ledit élément, ledit premier moufle étant relié à ladite installation mobile au moyen d'au moins deux bras articulés, chaque bras articulé comprenant au moins une poulie, ledit système comportant un câble fixé sur des moyens de retenue et passant par les poulies desdits bras articulés et par lesdits premier et deuxième moufles, ledit système comportant en outre au moins un vérin de compensation lié audit premier moufle et à ladite installation mobile. Le système comporte un moyen pour ajuster au moins une longueur caractéristique desdits bras articulés est ajustée en fonction dudit mouvement.
Selon l'invention, chacun desdits bras articulés comprend au moins une biellette, et dans lequel ladite longueur caractéristique desdits bras articulés est la longueur de ladite biellette et/ou la distance horizontale séparant les axes desdites poulies desdits deux bras articulés et/ou la distance horizontale entre l'axe dudit premier moufle et l'axe de ladite poulie dudit bras articulé et/ou la distance verticale entre la position basse de l'axe desdites poulies dudit premier moufle et l'axe de ladite poulie dudit bras articulé.
Avantageusement, chacun desdits bras articulés comprend une poulie de renvoi reliée à ladite installation mobile, une poulie intermédiaire, une première biellette entre ladite poulie de renvoi et ladite poulie intermédiaire et une deuxième biellette entre ladite poulie intermédiaire et ledit premier moufle.
De manière avantageuse, ladite longueur caractéristique ajustée est déterminée par minimisation de la fonction erreur définie par une formule de la forme :
_ Fm-Fa
t = Fm
Fm „ . Γ . , , sin(B)-sm(e+a-œ) . , ~^ ~\ 1 , U . avec— = 1 + \ sin(e + <p) +— , ' ,—— sm(0) - + - et a = (Qv + u) J -— .
V0+ De v-° . . v , avec :
De0)S)r
- φ : angle entre l'axe de la première biellette et l'horizontale,
- Θ : angle entre l'axe de la deuxième biellette et l'horizontale,
- β : angle entre le câble et l'axe de la première biellette,
- σ : angle entre le câble et l'axe de la deuxième biellette,
Fm : effort mécanique sur le vérin de compensation,
- Q : poids de l'élément accroché,
U : constante liée à la conception du système, correspondant à la somme des poids du premier moufle, des tiges du vérin de compensation et des bras articulés, Fa : variation de pression au niveau du vérin de compensation,
De : course du vérin de compensation, avec De0 la course initiale,
V0 : volume de référence du vérin de compensation,
N : nombre de poulies,
- S : section d'un accumulateur équipant ledit vérin de compensation,
- y : constante des gaz,
E : fonction erreur.
Selon un aspect de l'invention, ladite poulie de renvoi est reliée à ladite installation mobile par un moyen piloté de longueur réglable.
Selon une caractéristique de l'invention, au moins une desdites biellettes comprend un vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, piloté en position.
Selon un mode de réalisation de l'invention, seule une longueur d'une biellette ou seule la distance séparant les axes desdites poulies est pilotée.
De préférence, lesdits premier et deuxième moufles sont alignés verticalement et ledit mouvement est vertical. Avantageusement, ladite installation mobile est une installation en mer, notamment un navire.
De manière préférentielle, ledit élément est un outil de forage ou une colonne montante ou un outil pour la pose de colis.
Selon un aspect de l'invention, ledit vérin de compensation est un vérin pneumatique alimenté par au moins un accumulateur.
De plus, lesdits moyens de retenue du câble peuvent comprendre au moins un treuil.
En outre, l'invention concerne l'utilisation d'un système de compensation selon l'invention pour le support d'outils de forage et/ou pour une colonne montante et/ou pour un outil de pose d'un bloc obturateur de pression en mer.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 (figures 1 a et 1 b) illustre un système de compensation pour deux positions différentes.
La figure 2 illustre un bras articulé d'un système de compensation.
La figure 3 est une courbe illustrant la variation de la longueur d'une première biellette d'un bras articulé en fonction du pilonnement H.
La figure 4 est une courbe illustrant la variation de la longueur d'une deuxième biellette d'un bras articulé en fonction du pilonnement H.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un système de compensation d'un mouvement pour un élément accroché à une installation mobile. Le système de compensation comporte :
- un premier moufle, équipé d'au moins une poulie,
un deuxième moufle, sur lequel est accroché l'élément, le deuxième moufle étant équipé d'au moins une poulie ; de préférence les premier et deuxième moufles sont alignés verticalement,
- un système articulé comprenant au moins deux bras articulés, de préférence deux ou quatre disposés symétriquement, le système articulé reliant l'installation mobile au premier moufle, chaque bras articulé comprenant au moins une poulie, - un câble fixé par des moyens de retenue sur l'installation mobile et passant par les poulies des bras articulés et des premier et deuxième moufles, le câble formant au moins une boucle autour des premier et deuxième moufles, les moyens de retenue du câble sur l'installation mobile pouvant comprendre au moins un treuil permettant de régler la longueur du câble, et au moins un vérin, dit vérin de compensation, dont une extrémité est liée au premier moufle et l'autre extrémité est liée à l'installation mobile ; le vérin est alimenté par au moins un accumulateur, par exemple par une liaison oléopneumatique.
Le mouvement de l'installation mobile (par exemple le pilonnement) est compensé en grande partie par le déplacement du premier moufle par rapport à l'installation mobile. Ainsi, le deuxième moufle est immobile par rapport à un repère fixe. Le déplacement du premier moufle est piloté par le vérin de compensation et est permis par le système articulé.
Selon l'invention, au moins une longueur caractéristique du système articulé est réglable et ajustée (pilotée) en fonction du mouvement, de manière à diminuer l'erreur de compensation et ainsi augmenter la compensation du système. La longueur caractéristique du système articulé est ajustée de manière continue, en temps réel, pendant l'utilisation du système de compensation. La longueur caractéristique ajustée (pilotée) dépend de la géométrie (conception) du système articulé. Il s'agit d'une longueur de conception du système articulé qui est variable. Cette longueur caractéristique n'est pas une distance qui varie par le déplacement du vérin de compensation. Elle peut être la longueur d'une des pièces du système articulé, par exemple une biellette, ou la distance d'une poulie du système articulé à l'axe des moufles, ou la distance séparant deux poulies du système articulé. Les longueurs caractéristiques du système articulé sont ajustées (pilotées) simultanément de manière identique, si le système est symétrique.
La longueur caractéristique est donc variable, ce qui est contraire aux systèmes de compensation de l'art antérieur, pour lesquels les longueurs caractéristiques (longueurs des pièces, distances poulie-moufle, distances poulie-poulie) sont constantes. Dans la suite de la description, le système de compensation est décrit dans le cas d'une utilisation offshore.
La figure 1 représente un système de compensation selon un mode de réalisation de l'invention dans deux positions (basse en figure 1 a, et haute en figure 1 b) en fonction du niveau de la mer. Le système de compensation 1 est installé sur une installation mobile offshore. Le système de compensation permet d'accrocher un élément (non représenté) sur un deuxième moufle 3 par l'intermédiaire d'un crochet. Le système de compensation 1 comporte en outre un premier moufle 2, deux bras articulés 4 reliés d'une part à un support 13 relié à l'installation mobile et d'autre part au premier moufle 2, deux vérins de compensation 5 reliés à des accumulateurs 1 1 au moyen d'un système oléopneumatique 12 qui sert d'interface entre les vérins hydrauliques 5 et les accumulateurs pneumatiques 1 1 et un câble 10 passant par les poulies des bras articulés 4 et par les premier et deuxième moufles 2 et 3. Les vérins 5 sont reliés à l'installation mobile 13 et au premier moufle 2. Tel que représenté, le premier moufle 2, le deuxième moufle 3 et l'élément accroché sont alignés verticalement, et le mouvement à compenser est un mouvement vertical.
Tel qu'illustré, chaque bras articulé 4 comporte une poulie de renvoi 6 relié à l'installation mobile 13, une poulie intermédiaire 7, une première biellette 8 entre la poulie de renvoi 6 et la poulie intermédiaire 7 et une deuxième biellette 9 entre la poulie intermédiaire 7 et le premier moufle 2.
Lorsque le niveau de la mer M est bas (figure 1 a), les tiges des vérins de compensation 5 sont entièrement sorties et le premier moufle 2 est éloigné du niveau de l'installation mobile 13.
A l'inverse, lorsque le niveau de la mer M augmente d'une hauteur Hm (figure 1 b), les tiges des vérins de compensation 5 sont entièrement rentrées et le premier moufle 2 est proche du niveau de l'installation mobile 13.
Les bras articulés peuvent être formés de biellettes reliant des poulies. Selon un premier exemple, chaque bras articulé peut comprendre une poulie de renvoi reliée à l'installation mobile, une poulie intermédiaire, une première biellette entre la poulie de renvoi et la poulie intermédiaire, et une deuxième biellette entre la poulie intermédiaire et le premier moufle. Selon un deuxième exemple, chaque bras articulé peut comprendre en outre une deuxième poulie intermédiaire, et une troisième biellette entre les deux poulies intermédiaires. Ces exemples ne sont pas limitatifs, d'autres variantes de réalisation peuvent être envisagées.
La longueur caractéristique du système articulé, qui est réglable et ajustée en fonction du mouvement, peut être notamment la longueur d'une des biellettes du système articulé, la distance horizontale entre l'axe des poulies du premier moufle et de la poulie de renvoi, etc. De préférence, seule une longueur caractéristique de chaque bras articulé est ajustée en fonction du mouvement. Alternativement, plusieurs longueurs caractéristiques sont ajustées simultanément.
Afin d'ajuster et de piloter la longueur des biellettes, les biellettes peuvent être de longueur réglable, et peuvent comprendre des vérins pneumatiques, hydrauliques ou électriques. Pour ces trois cas, on commande l'alimentation énergétique (pneumatique, hydraulique ou électrique), de manière à actionner le vérin afin d'ajuster la longueur de la biellette. Selon d'autres variantes de réalisation, les biellettes de taille réglable peuvent être mises en œuvre par des dispositifs mécaniques comprenant un ressort.
Afin d'ajuster la position de la poulie de renvoi , chaque poulie de renvoi peut être reliée à l'installation mobile par un moyen piloté de longueur réglable, notamment un vérin électrique, pneumatique ou hydraulique pour faire varier la distance horizontale et/ou verticale de l'axe de la poulie par rapport à l'installation mobile. Le vérin peut être placé entre la poulie de renvoi et l'installation mobile. Pour ces trois cas, on commande l'alimentation énergétique (pneumatique, hydraulique ou électrique), de manière à actionner le vérin afin d'ajuster la position de la poulie de renvoi. Ainsi, la distance horizontale et/ou verticale séparant la poulie de renvoi et l'axe du premier moufle ou la distance horizontale et/ou verticale séparant deux poulies de renvoi est ajustée.
Pour piloter la longueur caractéristique ajustable des bras articulés, on peut déterminer la variation de hauteur du mouvement à compenser par mesure directe de cette hauteur, par exemple par mesure de la distance entre l'axe du premier moufle et l'axe de la poulie du bras articulé, par mesure du mouvement de l'installation mobile, ou par mesure des différents efforts mis en œuvre dans le système de compensation.
La figure 2 représente schématiquement un bras articulé d'un système de compensation selon un mode de réalisation de l'invention. Pour cette figure et pour la suite de la description, on utilise les notations suivantes :
- A : distance horizontale entre l'axe du premier moufle 2 et l'axe de la poulie de renvoi 6,
B : longueur de la première biellette 8, dite biellette inférieure,
- C : longueur de la deuxième biellette 9, dite biellette supérieure,
- G : distance verticale entre la position basse de l'axe des poulies du premier moufle 2 et l'axe de la poulie de renvoi 6,
H : distance verticale entre l'axe du premier moufle 2 et l'axe de la poulie de renvoi 6 ; H varie avec le mouvement (pilonnement) de l'installation mobile, P : distance verticale entre la position haute de la poulie du premier moufle 2 et la position basse de la poulie du premier moufle 2, on a P=G+H
Rc : rayon de la poulie du premier moufle 2,
RI : rayon de la poulie de renvoi 6,
Rj : rayon de la poulie intermédiaire 7,
- φ : angle entre l'axe de la première biellette 8 et l'horizontale,
- Θ : angle entre l'axe de la deuxième biellette 9 et l'horizontale,
- β : angle entre le câble 10 et l'axe de la première biellette 8,
- σ : angle entre le câble 10 et l'axe de la deuxième biellette 9, Fm : effort mécanique sur les vérins de compensation 5,
- Q : poids de l'élément accroché,
U : constante liée à la conception du système, correspondant à la somme des poids du premier moufle, des tiges du vérin et des bras articulés,
Fa : variation de pression au niveau des vérins de compensation 5,
- Gf : facteur géométrique,
De : course des vérins de compensation 5, avec De0 la course initiale,
V0 : volume de référence du vérin de compensation,
N : nombre de poulies,
- S : section des accumulateurs principaux 1 1 ,
- y : constante des gaz,
E : erreur.
Tel que représenté sur la figure 2, le système articulé comprend une poulie de renvoi 6 de rayon RI, une poulie intermédiaire 7 de rayon Rj, une première biellette 8 de longueur B entre la poulie de renvoi 6 et la poulie intermédiaire 7 et une deuxième biellette 9 de longueur C entre la poulie intermédiaire 7 et la poulie du premier moufle 2. Selon l'invention, au moins une des biellettes peut être de longueur ajustable et pilotée. Sur la figure est représenté en pointillé, le premier moufle 2 en position basse. Le système de compensation comporte deux vérins de compensation 5.
Le chemin du câble entre le premier moufle 2 et la poulie de renvoi 6 peut avoir quatre variantes :
• pas de croisement du câble 10 avec l'une des première et deuxième biellettes 8 et 9, le câble passe alors à l'extérieur des poulies,
· un croisement du câble 10 et de la première biellette 8, tel qu'illustré sur la figure 2,
• un croisement du câble 10 et de la deuxième biellette 9, et
• un croisement des première et deuxième biellettes 8 et 9.
Dans toutes ces configurations, l'équation reliant l'effort mécanique sur les vérins aux efforts dus aux poids pendus est de la forme :
L'équation de variation de pression au niveau des vérins de compensation soutenant le premier moufle 2 peut s'écrire :
Fa = (Q + U) - 0
(Yo + (De - De0)S
L'erreur s'écrit par une relation de la forme : Fm— Fa
E =— 7.
Fm
La force Fm dépendant d'un facteur géométrique Gf qui est fonction de la longueur des deux biellettes, des rayons des poulies, et du déplacement vertical du premier moufle 2, on peut écrire ce facteur géométrique de la façon suivante :
Ainsi, l'équation de l'effort mécanique sur les vérins peut être simplifiée par une relation de la forme :
Fm Gf U
Si on se place dans le cas particulier, où la poulie intermédiaire 7 a le même diamètre que la poulie du premier moufle 2, i.e. Rj=Rc, on peut écrire σ = 0 et donc simplifier le facteur géométrique Gf selon la formule suivante :
smQg)sin(g)
sin(6— ψ)
Les angles β et σ ne dépendent que des longueurs B et C et des rayons des poulies.
Les angles Θ et φ dépendent de H qui varie avec le mouvement de l'installation mobile (pilonnement). Mais ces angles dépendent aussi des longueurs A, B, C et G qui sont issues du dimensionnement du compensateur.
L'invention consiste à faire varier l'un de ces paramètres : longueurs A, B, C et G en fonction de H pour annuler l'erreur définie au moyen des équations précédentes. Le facteur géométrique Gf (cf. ci-dessus) ne dépend que d'angles qui sont eux-mêmes fonctions des grandeurs géométriques A, B, C et G. Gf dépend aussi de H. H est une fonction du temps puisqu'il représente le mouvement de l'installation mobile (par exemple le pilonnement du navire de forage). U est une constante liée au design du système. Q est le poids pendu (accroché au deuxième moufle) moins le WOB (consigne de poids sur l'élément accroché). Comme le but du système de compensation consiste à garder le paramètre WOB constant, on considère Q constant. Donc l'effort Fm ne dépend que des longueurs A, B, C, G et H.
De plus, l'effort Fa dépend de constantes (Q,U, Vo et De0). De, qui est la course du vérin, varie en fonction de H constante, w étant
l'angle des vérins de compensation 5 avec la verticale.
La fonction d'erreur E ne dépend donc que des longueurs A, B, C, G et H. Si l'on fait varier une des grandeurs A, B, C ou G en fonction du temps, on peut rendre cette fonction indépendante de H.
La fonction reliant la longueur A, B, C ou G à H pour annuler l'erreur E est univoque : pour un H donné, il n'y a qu'un seul A, B, C ou G qui permette d'annuler l'erreur. Cependant, une fois les dimensions connues, on peut trouver une fonction polynomiale ou une suite de fonctions sinusoïdales reliant A, B, C ou G à H. Cette fonction ou cette suite de fonctions connues, il est alors possible de commander directement les longueurs A, B, C ou G une fois H mesuré. Par exemple, on peut ajuster les longueurs A et B au moyen de biellettes de longueur réglable, pouvant comprendre au moins un vérin. Par exemple, on peut ajuster les longueurs C et G par réglage de la position respectivement horizontale et verticale de la poulie de renvoi, notamment au moyen d'un vérin de réglage (disposé respectivement horizontalement et verticalement) placé entre l'installation mobile et la poulie de renvoi.
H étant la distance entre l'axe du premier moufle et l'axe de la poulie de renvoi, la mesure directe de cette distance peut être mise en œuvre. Cependant cette distance, qui peut représenter le pilonnement de l'installation mobile, est aussi fonction des longueurs B ou C.
Une autre solution peut être de mesurer le pilonnement de l'installation mobile. De cette mesure, on déduit la longueur H, en retranchant à la mesure la longueur G qui est une constante de conception du système de compensation. Et l'on peut piloter directement A, B, C ou G à partir de la connaissance de H. Cette solution permet de s'affranchir d'une boucle rétroactive de contrôle-commande.
Pour améliorer la qualité du contrôle, on peut aussi utiliser les mesures de Fm et Fa déjà existantes sur un navire de forage pour déterminer la longueur H.
Le système de compensation selon l'invention peut être utilisé notamment pour compenser le pilonnement d'un navire lors d'opération de forage en mer, lors de la pose d'une colonne montante (en anglais « riser »), pour un outil de pose d'un bloc obturateur de pression en mer, ou la reprise du fond pour redémarrer le forage. Dans ce cas, l'installation mobile est une installation flottante, notamment un navire et l'élément accroché est un outil de forage ou une colonne montante ou un outil de pose de tube en mer.
Ainsi, le système de compensation selon l'invention permet d'annuler l'erreur de compensation inhérente aux systèmes de l'art antérieur. L'invention permet aussi de rendre possible la compensation d'un pilonnement même lorsque l'élément (par exemple un outil de forage) n'est pas appuyé sur le fond marin (par exemple le fonds du puits). En effet, les systèmes de compensation selon l'art antérieur visent tous à maintenir la tension au crochet constante en cours d'utilisation (par exemple en cours de forage). Dans les phases de non utilisation (par exemple hors forage), les compensateurs de pilonnement de l'art antérieur sont inefficaces car la tension au crochet ne varie pas au cours d'une période de pilonnement. Les accélérations verticales induites par le pilonnement sont alors trop faibles pour être détectées par ces systèmes. Au contraire, la commande, selon l'invention, d'une longueur caractéristique des bras articulés en fonction du pilonnement permet de garder le crochet à une distance verticale fixe par rapport au fond de la mer.
De plus, la conception du bras articulé avec des biellettes de longueur réglable ou avec des moyens pour faire varier les distances du système articulé permet de réduire le volume des accumulateurs du vérin de compensation.
Afin de démontrer la faisabilité de cette invention, on examine l'effet de la variation de la longueur d'une des deux biellettes B ou C en fonction du pilonnement H pour annuler l'erreur E.
Pour cela, on présente un exemple d'application d'une configuration d'un navire de forage soumis à un pilonnement, les bras articulés étant réalisés selon le mode de réalisation de la figure 2 :
• Rayon des poulies : 0,73 m
· Nombre de poulies du premier moufle : 7
• Distance A : 2 m
• Distance G : 1 m
• Volume d'air V0 : 10 m3
• Section totale des vérins de compensation S : 2083,34 cm2
· Facteur γ des gaz : 1 ,4
• Poids de l'élément accroché Q : 454 1
• Pilonnement : 7 m
• Valeur minimum de H : -1 m (H varie de -1 m à 6 m) Pour un exemple selon l'art antérieur, pour lequel les biellettes sont des tiges de longueurs fixes, si l'on cherche le meilleur couple qui minimise l'erreur on trouve :
• Longueur de la première biellette B : 3,55 m
• Longueur de la deuxième biellette C : 3,55 m
• Erreur maximale E : 3,15 %
· Variation de la longueur du câble : 1 ,8 m
Pour un premier exemple selon l'invention, pour lequel la longueur de la première biellette est réglable, on calcule les variations de la longueur B pour annuler l'erreur E quel que soit le pilonnement H. Pour cet exemple, on garde la valeur de la longueur C calculée précédemment pour l'exemple selon l'art antérieur, c'est-à-dire C=3,55 m. La figure 3 illustre les variations de la longueur B qui annulent l'erreur E pour chaque hauteur de pilonnement H. On remarque que la longueur B varie de 2,25 m à 4,20 m, soit une course de 1 ,95 m. La variation de la longueur B de la première biellette entraîne également une variation de la longueur de câble de 0,93 m.
Pour un deuxième exemple selon l'invention, pour lequel la longueur de la deuxième biellette est réglable, on calcule les variations de la longueur C pour annuler l'erreur E quel que soit le pilonnement H. Pour cet exemple, on garde la valeur de la longueur B calculée précédemment pour l'exemple selon l'art antérieur, c'est-à-dire B=3,55 m.
La figure 4 illustre les variations de la longueur C qui annulent l'erreur E pour chaque hauteur de pilonnement H. On remarque que la longueur C varie de 2,30 m à 9,37 m, soit une course de 7,07 m. La variation de la longueur C de la deuxième biellette entraîne également une variation de la longueur de câble de 9,67 m. II est donc possible d'annuler l'erreur du système de compensation de pilonnement de l'art antérieur en ajustant soit la position horizontale et/ou verticale de la poulie de renvoi, soit la longueur d'une des deux biellettes fonction du pilonnement H du navire de forage.

Claims

Revendications
Système de compensation d'un mouvement pour un élément accroché à une installation mobile, ledit système (1 ) comportant un premier moufle (2) et un deuxième moufle (3) servant à accrocher ledit élément, ledit premier moufle (2) étant relié à ladite installation mobile au moyen d'au moins deux bras articulés (4), chaque bras articulé comprenant au moins une poulie, ledit système comportant un câble (10) fixé sur des moyens de retenue et passant par les poulies desdits bras articulés (4) et par lesdits premier et deuxième moufles (2, 3), ledit système comportant en outre au moins un vérin de compensation (5) lié audit premier moufle (2) et à ladite installation mobile, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour ajuster au moins une longueur caractéristique (A, B, C, G) desdits bras articulés (4) en fonction dudit mouvement.
Système selon la revendication 1 , dans lequel chacun desdits bras articulés (4) comprend au moins une biellette (8, 9), et dans lequel ladite longueur caractéristique desdits bras articulés (4) est la longueur (B, C) de ladite biellette (8, 9) et/ou la distance horizontale séparant les axes desdites poulies desdits deux bras articulés (4) et/ou la distance horizontale (A) entre l'axe dudit premier moufle (2) et l'axe de ladite poulie dudit bras articulé (4) et/ou la distance verticale (G) entre la position basse de l'axe desdites poulies dudit premier moufle (2) et l'axe de ladite poulie dudit bras articulé (4).
Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacun desdits bras articulés (4) comprend une poulie de renvoi (6) reliée à ladite installation mobile, une poulie intermédiaire (7), une première biellette (8) entre ladite poulie de renvoi (6) et ladite poulie intermédiaire (7) et une deuxième biellette (9) entre ladite poulie intermédiaire (7) et ledit premier moufle (2).
Système selon la revendication 3, dans lequel ladite longueur caractéristique (A, B, C, G) ajustée est déterminée par minimisation de la fonction erreur définie par une formule de la forme :
Fm
- φ : angle entre l'axe de la première biellette (8) et l'horizontale,
- Θ : angle entre l'axe de la deuxième biellette (9) et l'horizontale,
- β : angle entre le câble (10) et l'axe de la première biellette (8), - σ : angle entre le câble (10) et l'axe de la deuxième biellette (9), Fm : effort mécanique sur le vérin de compensation (5),
- Q : poids de l'élément accroché,
U : constante liée à la conception du système, correspondant à la somme des poids du premier moufle (2), des tiges du vérin de compensation (5) et des bras articulés (4),
Fa : variation de pression au niveau du vérin de compensation (5),
De : course du vérin de compensation (5), avec De0 la course initiale,
- V0 : volume de référence du vérin de compensation (5),
N : nombre de poulies,
- S : section d'un accumulateur (1 1 ) équipant ledit vérin de compensation (5),
- y : constante des gaz,
E : fonction erreur. 5) Système selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite poulie de renvoi (6) est reliée à ladite installation mobile par un moyen piloté de longueur réglable.
6) Système selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel au moins une desdites biellettes (8, 9) comprend un vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, piloté en position.
7) Système selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel seule une longueur (B, C) d'une biellette (8, 9) ou seule la distance (A ou G) séparant les axes desdites poulies (6) est pilotée.
8) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premier et deuxième moufles (2, 3) sont alignés verticalement et ledit mouvement est vertical.
9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite installation mobile est une installation en mer, notamment un navire.
10) Système selon la revendication 9, dans lequel ledit élément est un outil de forage ou une colonne montante ou un outil pour la pose de colis. 1 1 ) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit vérin de compensation (5) est un vérin pneumatique alimenté par au moins un accumulateur (1 1 ). 12) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de retenue du câble (10) comprennent au moins un treuil.
13) Utilisation d'un système de compensation selon l'une des revendications précédentes pour le support d'outils de forage et/ou pour une colonne montante et/ou pour un outil de pose d'un bloc obturateur de pression en mer.
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