OA10519A - Riser de production équipé d'un raidisseur approprié et d'un flotteur individuel - Google Patents

Description

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La présente invention concerne un riser de production ou colonne montante équipé d'unflotteur individuel et d'un raidisseur approprié pour supporter différentes contraintes.

La présente invention concerne aussi un système de production pour les effluents pétroliers,comportant un support flottant ancré au fond de la mer et en liaison avec un ou plusieurs puits deproduction par l'intermédiaire d'une ou plusieurs conduites montantes ou riser de productionéquipé d'un raidisseur au moins.

Les systèmes de production sont habituellement installés pour des durées relativementélevées, par exemple 20 ans. Pendant toute la durée de leur installation et au cours desopérations de production, ils sont soumis à des contraintes extérieures, et sollicités par la houle, lecourant, le vent......

Habituellement le support flottant est ancré de manière statique au fond de la mer par unensemble de chaînes ou de lignes tendues verticales ou obliques. Dans les deux cas, il conserveune certaine liberté de mouvement selon différents axes, qui vont de quelques centimètres àplusieurs mètres pour les déplacements verticaux dus à la houle, bien connus sous le terme depilonnement, et qui peuvent aller jusqu'à des dizaines de mètres dans le plan horizontal. Lesamplitudes des rotations autour des axes horizontaux, connus sous les termes de roulis et/outangage, et autour d'un plan vertical dépendent notamment des dimensions du support flottant, deson moyen d'ancrage, et des conditions de la houle.

Classiquement dans de telles installations, les colonnes montantes sont d'une part fixées àune structure sous-marine qui est posée sur le fond et qui regroupe en général plusieurs têtes depuits, et d'autre part, en liaison directe ou indirecte avec la structure flottante. Les dispositifs deliaison rendent les conduites montantes plus ou moins solidaires du support flottant et donc de sesdéplacements. Afin de rendre ces déplacements tolérables par la colonne montante, des systèmesde suspension, ou système de tensionnement, sont généralement utilisés pour maintenir en têtede colonne montante une tension à peu près constante et indépendante des mouvements dusupport. On peut utiliser des systèmes de tensionnement hydraulique. L'art antérieur décrit différents agencements ayant pour fonction notamment de reprendreles mouvements des supports flottants et de les déconnecter des colonnes montantes.

Par exemple, le brevet NO 171 958 décrit une construction flottante utilisée pour laproduction de produits pétroliers comportant plusieurs colonnes montantes maintenues soustension à partir des puits sur le fond marin jusqu'à un pont porteur disposé de manière mobile parrapport à une structure flottante. Dans ce système, le pont porteur est en liaison avec la structureflottante par l'intermédiaire d'un dispositif de halage pour supporter à la fois des mouvements de 010519 balanciers et des mouvements verticaux, résultant des mouvements du support flottant. Lesconduites montantes ou riser de production sont reliées au pont porteur par l'intermédiaire demoyens, tels que des éléments élastiques pour supporter des mouvements élastiques verticaux etlatéraux. L'utilisation des deux systèmes, le système de halage et les éléments élastiques, permetd'empêcher la transmission des mouvements vus par la structure flottante aux colonnesmontantes de production. Toutefois, une telle approche fait appel à des dispositifs mécaniquesrelativement complexes, notamment le système de halage, qui augmentent le coût et lacomplexité de l'ensemble du système de production.

Dans le brevet US 4,702,321, l'idée consiste à utiliser un caisson de taille suffisante pourcontenir les risers et leurs flotteurs, et les soustraire ainsi aux mouvements de la houle. Un telsystème peut induire d'importantes contraintes en sortie du système de guidage.

La présente invention a pour but de minimiser les contraintes existant au niveau des riserssous l'effet du déplacement de la structure flottante, en offrant un système plus simplemécaniquement que ceux connus de l'art antérieur.

Dans la présente invention, contrairement à l'art antérieur, on n'utilise pas de systèmes oumoyens de tensionnement en fonctionnement normal, c'est-à-dire durant les opérations deproduction. L'invention s’applique particulièrement bien dans le cas de mers peu agitées ou clémentes, lorsque le support flottant n’est pas soumis à des efforts i Çlimo 11 1 ipLJI Ldi ILO.

La présente invention concerne un système pour la production d'effluents pétroliers à partird'un site de production, tel qu'un ou plusieurs puits de production, jusqu'à un support flottant. Il estcaractérisé en ce qu'il comporte en combinaison les éléments suivants : o au moins un riser de production équipé sur au moins une partie de sa longueur d'au moins unmoyen, telle qu'une bouée de tensionnement, permettant de mettre en tension ledit riser, o au moins un dispositif de maintien et de guidage du riser par rapport audit support flottant,o au moins un raidisseur équipant au moins une partie du riser, sur une longueur L, ledit raidisseur étant situé au-dessus de ladite bouée de tensionnement, ledit raidisseur étantadapté pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnementmarin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage, et les contraintes dues aupoids des charges supportées par ledit raidisseur.

Le raidisseur est formé par exemple par une enveloppe ou casing de longueur L entourantledit riser.

Le système peut comporter au moins un élément disposé entre le riser et la bouée detensionnement pour éviter les problèmes de flexion. 3 010519

Le dispositif de maintien et de guidage d'un riser comporte, au moins, un système deroulement à rouleaux permettant le coulissement vertical du riser et guidant ses déplacementshorizontaux dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulissement longitudinal.

Au moins un des dispositifs de maintien et de guidage du riser comporte au moins unsystème à double roulements, par exemple des rotules.

Le riser comportant deux extrémités, l'une de ses extrémités communiquant avec un puitsde production et l'autre avec une tête de puits , ladite tête de puits peut être disposée au-dessusde la bouée de tensionnement.

Le système peut comporter plusieurs risers, lesdits risers étant reliés à la structure flottantepar l'intermédiaire d'un moyen tel qu'une grille équipée de moyens de guidage desdits risers.

Lorsque le raidisseur est formé d'une enveloppe entourant le riser, le riser peut être équipéd'un moyen auxiliaire de mise en tension.

La présente invention concerne aussi un riser, tel qu’un riser de forage ou de productioncomportant sur au moins une partie de sa longueur un ou plusieurs raidisseurs ayant descaractéristiques adaptées pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis parl'environnement marin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage, et lescontraintes dues au poids des charges supportées par ledit raidisseur.

La présente invention concerne un riser utilisé dans le cadre de la production ou le foraged'effluents pétroliers comportant au moins sur une partie de sa longueur au moins un élémentraidisseur. Le raidisseur peut comporter des caractéristiques d’épaisseur e et de diamètreextérieur d0 déterminées selon les étapes suivantes : 1. On choisit des conditions extrêmes quasi-statiques, ces conditions pouvant être donnéespar des valeurs d'angles de roulis ou de tangage maximaux ou encore par des valeursde courants peu fréquents, tels que les courants centennaux, ou encore par des valeursde déport du support flottant extrêmes, 2. Au cours de la première étape, on détermine pour le riser non équipé de raidisseur et àl’aide d’un logiciel approprié, la valeur du moment M, on déduit les valeurs descontraintes en flexion et en traction et/ou on détermine directement la valeur descontraintes en flexion of et/ou en traction ot dans le riser, le riser n'étant pas muni deraidisseur, 3. On compare les valeurs des contraintes à des valeurs seuil ofs et ots, en chaque pointdu riser, et 4. Lorsque les valeurs des contraintes of, ot sont supérieures aux valeurs seuils, on faitvarier la valeur de l'épaisseur e et/ou la valeur du diamètre extérieur d0 du riser et onrecalcule les contraintes of, ot jusqu'à obtenir des valeurs de contraintes acceptables par 4 010519 rapport à la norme qui doit être respectée par le riser, on note les valeurs finales ef, dof,et 5. On dimensionne le raidisseur avec lesdites valeurs finales. L'élément raidisseur est formé par un élément tubulaire ayant une longueur sensiblementégale à L, une épaisseur ef et un diamètre extérieur dof .ledit élément tubulaire entourant le riser. L’élément tubulaire peut être lié par un élément au riser par un élément de mise en tension.

La présente invention offre donc un système plus simple que ceux décrits dans l'artantérieur du fait qu'il n'utilise pas de système mécanique de tensionnement entre le riser et lesupport flottant en fonctionnement normal, ce dernier étant remplacé par la combinaison d'unsystème de flottaison et d'une partie de riser ayant des caractéristiques permettant de supporterdes contraintes. Ceci est rendu possible par l'environnement marin peu agité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux à lalecture de la description qui va suivre, faite de manière illustrative et non limitative, en référenceaux dessins annexés sur lesquels : o la figure 1 schématise un système de production montrant notamment l'agencement particulierde la partie supérieure du riser de production selon l'invention jouant le rôle de raidisseur, o la figure 2 montre une variante de réalisation des moyens de maintien et de guida ge du riser,par rapport à un support flottant, et o la figure 3 schématise une variante où le riser est équipé d’un raidisseur et une enveloppe oucasing.

La figure 1 montre un exemple de système de production mettant en évidencel'agencement spécifique des différents éléments formant l’invention, notamment l'absence desystème de tensionnement habituellement utilisé dans l'art antérieur en cours de fonctionnementnormal entre un riser et le support flottant, ou entre un pont porteur des risers et le support flottant,qui est remplacé par la présence d’un raidisseur disposé au niveau de la partie du riser en liaisonavec le support flottant.

Le système de production comporte, par exemple, un support flottant 1 ancré au fond marin2 à l'aide de moyens 3, par un ensemble de chaînes ou de lignes tendues, tels des lignesd’ancrage. Le support flottant 1 est disposé à proximité d'une source d'effluents pétroliers, parexemple un ou plusieurs puits de production 4. Le support flottant 1 comporte une cavité 5permettant de laisser passer le ou les risers de production 6.

Un riser 6 de production est fixé par exemple par une première de ses extrémités à une structure sous-marine comportant le ou les puits de production à l’aide de moyens de connexion habituellement utilisés dans l'industrie pétrolière. Le riser 6 est maintenu en tension vers le haut 5 010519 par une traction dont la valeur est de préférence constante. La mise en tension est de préférenceréalisée en disposant sur une partie au moins de la longueur du riser, un ou plusieurs flotteurs 7,(ou bouées de tensionnement), ayant pour fonction notamment d'exercer une tension suffisantepour éviter le flambement du riser. On peut utiliser une seule bouée de tensionnement, entourantl'extrémité supérieure du riser 6, dimensionnée de façon à prétendre le riser et à le conserverprétendu. On peut aussi répartir les moyens de tensionnement 7 tout le long de ce riser ou sur aumoins une partie de sa longueur, en répartissant par exemple plusieurs bouées de tensionnement,l'ensemble (nombre et dimensionnement) des bouées étant choisi pour obtenir une pré-tensionchoisie dans le riser.

Avantageusement, on dispose au niveau de la jonction de la bouée et du riser, par exempleà sa jonction inférieure, un limiteur de courbure 8, afin de minimiser les effets de courbure et lescontraintes vues par le riser sous l'effet des mouvements de la houle, des forceshydrodynamiques et d'autres éléments extérieurs.

Dans cet exemple de réalisation, nullement limitatif de l'invention et donné à titre illustratif,la tête de puits 9 est disposée au niveau de l'extrémité supérieure du riser.

Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible d'imaginer pour la tête de puits d'autrespositions, par exemple, la tête de puits peut être disposée sur le fond marin, ou encore à différentsniveaux entre le fond marin et la surface de la mer. L'extrémité supérieure du riser peut être reliée au support flottant à l'aide de moyens 10permettant le coulissement du riser longitudinalement selon un axe z, et en même t smps songuidage dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal, par exemple selon lesaxes ou directions x, y schématisées sur la figure 1.

Les moyens 10 comportent dans cet exemple de réalisation des rouleaux permettant laliberté de rotation selon les trois directions x, y et z.

Une des spécificités du système de production est d'éviter les dispositifs complexes dehalage habituellement utilisés en fonctionnement normal réalisant la connexion entre un riser deproduction et une structure flottante, et de les remplacer en adaptant la partie du riser qui setrouve en liaison avec le support flottant.

On peut imaginer d’adapter les caractéristiques du riser lui-même sur une partie de salongueur (figure 1 ) pour jouer le rôle de raidisseur ou encore de l’équiper d’un raidisseur individuelcomme il est décrit à la figure 3.

Dans tous les exemples de réalisation, l’invention fait appel à une méthode dedimensionnement qui va être explicitée en relation avec la figure 1.

La géométrie et les dimensions de la partie de riser jouant le rôle de raidisseur 11 sontdéterminées et adaptées pour supporter les contraintes vues par le riser, ces contraintes étantnotamment induites par les efforts transmis par l'environnement marin d'une part, le passage en 6 010519 un point obligé avec coulissement sensiblement vertical au niveau des moyens de maintien et deguidage liés au support flottant d'autre part, et les contraintes dues au poids de l'ensemble.

Paramètres pris en compte * pour dimensionner la partie supérieure du riser ou le raidisseur individuel, et/ou unensemble de risers, on tient compte du poids suspendu du riser, des conditions d'environnementmétéo océanographiques, et/ou des mouvements correspondants du support flottant, rte flotteurs 7, ou bouée de tensionnement, équipant le riser est, par exemple, dimensionnéde façon à lui communiquer une tension comprise entre 1,2 et 1,8 fois son poids suspendu, rte limiteur de courbure 8 situé sous le flotteur 7 sera déterminé pour que les efforts deflexion dus à la transition de forme et de raideur entre le riser et le flotteur soient acceptables, entermes de contraintes induites, rta partie du riser 11 jouant le rôle de raidisseur qui est située entre le sommet du flotteur 7et la tête de puits 9, est dimensionné de façon à remplir deux types de chargement: le poids de latête de puits, la raideur doit être calculée afin d’empêcher les phénomènes dits de flambage; et lesefforts induits par les courants et la houle qui vont lui être communiqués au niveau du passagedes rouleaux par l'intermédiaire d'une flexion. Dans le cas du raidisseur individuel, ceci réclameraune adaptation d’un élément tubulaire dont le diamètre et l'épaisseur seront adaptés pour resterdans les limites admises par les caractéristiques du matériau employé, rta longueur du raidisseur est choisie de manière à conserver le flotteur sous le niveau de lamer et éviter que la tête de puits ne vienne buter dans les moyens de maintien.

Etapes pour dimensionner le raidisseur ou la partie du riser jouant le rôle de raidisseur

On rappelle les contraintes utilisées pour dimensionner le raidisseur :

La contrainte en flexion of est donnée par l’équation :of = 1/2(Ecd0) = (4Μ)/π d02e r\ Γ ikj kj C est la courbure du riser, E le module d’Young, d0 le diamètre extérieur de la partie du riser jouant le rôle de raidisseur ou celui du casing 14, M le moment du riser, e l'épaisseur du riser de la partie raidisseur 11 ou du casing 14,

On cherchera à diminuer les contraintes en flexion en augmentant l’épaisseur et/ou lediamètre du riser ou du casing.

La contrainte en traction ot est donnée par l’équation :ot = (Ttop)/( π e (d0 - e)) où Ttop est la valeur de la tension en tête de riser. 7 010519

On peut noter qu’il est plus facile de diminuer cette contrainte en augmentant l’épaisseurplutôt que le diamètre.

Dans les cas où la relation crf > <rt est vérifiée, on fera varier en premier le paramètrediamètre avant de recalculer les contraintes.

Etapes

Le riser étant maintenu en deux points, pour simuler le maintien de son extrémitésupérieure par rapport au support flottant et celui de son extrémité inférieure au sol marin, 1. On choisit des conditions extrêmes quasi-statiques (sensiblement en équilibre), cesconditions pouvant être données par des valeurs d'angles de roulis ou de tangagemaximaux (angle que fait le riser et le support flottant) ou encore par des valeurs decourants peu fréquents, tels que les courants centennaux, ou encore par des valeurs dedéport du support flottant extrêmes, 2. On effectue une première étape où le riser n’est pas muni de raidisseur. On déterminelors de cette étape et à l’aide d’un logiciel approprié connu de l’Homme du métier, lescourbes de distribution des valeurs des moments le long du riser à partir desquelles ondéduit les valeurs des contraintes en flexion, ou encore directement les valeurs descontraintes le long du riser, pour la contrainte en flexion et la contrainte en traction, 3. On compare les valeurs des contraintes à des valeurs seuil, en chaque point du riser, lesvaleurs seuils correspondant à une norme initialement choisie, 4. Lorsque les valeurs des contraintes of, ot sont supérieures aux valeurs seuils ofs, ots, onfait varier la valeur de l'épaisseur e et/ou la valeur du diamètre d0 extérieur du riser et onrecalcule les contraintes jusqu'à obtenir des valeurs acceptables par rapport à la normequi doit être respectée par le riser 5. On note les valeurs de et et dOf qui vont permettre de dimensionner le raidisseur.

La valeur de l'épaisseur et et la valeur du diamètre extérieur d0 obtenues à la fin de laméthode caractérisent le raidisseur et/ou la partie du riser qui assure le rôle de raidisseur sur lalongueur L entre la tête de puits et la bouée de tensionnement.

La transition et la liaison entre cette partie spécifique jouant le rôle de raidisseur et le restedu riser sera réalisée selon des principes connus de l'homme du métier.

Les valeurs seuils ou valeurs tolérables sont définies à partir de la norme spécifiée pour leriser, qui est fonction notamment de son utilisation.

Ainsi, pour des risers de forage marin, la norme est la norme API RP16Q. Sans sortir du cadre de l'invention, il est possible de dimensionner des colonnes montantes et le raidisseur correspondant en choisissant d'autres normes ou d'autres valeurs à respecter en fonction des conditions finales d'utilisation. 010519

Dans le cas où le raidisseur est formé par un élément 14 comme il est décrit à la figure 3,cet élément comporte une épaisseur e et un diamètre extérieur d0 définies selon les étapesprécédemment décrites, la longueur L de cet élément étant déterminée comme pour la partie duriser jouant le rôle du raidisseur.

La figure 2 montre une variante de réalisation où le dispositif de liaison entre la partiesupérieure du riser et le support flottant, comporte, par exemple deux rotules 12, 13 disposéesl'une au-dessus de l'autre. La distance séparant ces deux rotules est, par exemple de l'ordre dequelques mètres.

Par rapport au dispositif de liaison comportant une seule rotule, le système à double rotulepermet de limiter avantageusement les déplacements sensiblement horizontaux selon les axes x,y (figure 1). En limitant le déplacement du riser par rapport à l'axe de la rotule, on limite aussi ledéplacement de la tête de puits disposée à l'extrémité supérieure du riser et/on améliore lacompatibilité de la tête de puits avec le riser.

Le système de production selon l'invention peut sans sortir du cadre de l’inventioncomporter plusieurs risers équipés d’au moins un raidisseur selon l’invention.

Les risers de production sont, par exemple, disposés par rapport à la structure flottante àl'aide d’un dispositif directement relié à la structure flottante et pourvu d'orifices de passage desrisers tel qu'une grille non représentée sur la figure mais telle que décrite dans la demande FR-96/16.329. Chacun de ces orifices comporte par exemple un système à une rotule ou à doublerotule décrits précédemment aux figures 1 et 2.

La figure 3 schématise une variante de réalisation pour laquelle la partie supérieure du riserou raidisseur comporte une enveloppe ou casing 14 disposée, par exemple autour de la partiesupérieure du riser, située par exemple au-dessus du flotteur.

Les caractéristiques de ce casing, sa longueur, son épaisseur et son diamètre extérieurseront choisis conformément à la méthode préalablement exposée.

Dans certains cas, il peut être intéressant de disposer entre la partie supérieure du riserdisposée à l'intérieur du casing 14 et le casing un moyen de tensionnement, schématisé par laréférence 15 ayant notamment pour fonction de reprendre les déformations du riser interne, parexemple son allongement sous l'effet des variations de température et/ou de pression.

On peut éventuellement aussi considérer comme raidisseur l'ensemble formé, par exemple, par le casing 14 et la partie supérieure du riser située à l'intérieur, le dimensionnement de l'ensemble étant réalisé selon les étapes préalablement décrites. 9 010519

La méthode de dimensionnement donnée ci-dessus peut s’appliquer à tout raidisseurdestiné à équiper des risers de production, de forage ou encore des risers de production utilisés enforage.

Claims (8)

10 010519 REVENDICATIONS

1 - Système pour la production d'effluents pétroliers à partir d'un site de production, tel qu'unou plusieurs puits de production, jusqu'à un support flottant (1), caractérisé en ce qu'il comporte encombinaison les éléments suivants : o au moins un riser (6) de production équipé sur au moins une partie de sa longueur d'au moinsun moyen (7), telle qu'une bouée de tensionnement, permettant de mettre en tension leditriser, o au moins un dispositif (10) de maintien et de guidage du riser (6) par rapport audit supportflottant (1), o au moins un raidisseur (11) équipant au moins une partie du riser, sur une longueur L, leditraidisseur étant situé au-dessus de ladite bouée de tensionnement, ledit raidisseur étantadapté pour supporter les contraintes induites par les efforts transmis par l'environnementmarin, celles induites par ledit dispositif de maintien et de guidage (10), et les contraintes duesau poids des charges supportées par ledit raidisseur.

2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit raidisseur (11) est forméune enveloppe ou casing (14) de longueur L entourant ledit riser (6).

3 - Système selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte unélément (8) permettant d’éviter les problèmes de flexion entre le riser et la bouée detensionnement.

4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit dispositif demaintien et de guidage d'un riser comporte, au moins, un système de roulement à rouleauxpermettant le coulissement vertical du riser et guidant ses déplacements horizontaux dans un plansensiblement perpendiculaire à l'axe de coulissement longitudinal.

5 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que au moins un desdispositifs de maintien et de guidage du riser comporte au moins un système à double roulements.

6 - Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit risercomportant deux extrémités, l'une de ses extrémités communiquant avec un puits de productionet l'autre avec une tête de puits(9), ladite tête de puits (9) est disposée au-dessus de la bouée detensionnement (7). 12 010519

12 - Riser selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire (14) estlié par un élément (15) de mise en tension au riser.

13 - Utilisation du système selon l’une des revendications 1 à 7 ou du riser selon l'une des5 revendications 8 à 12 pour la production d’effluents pétroliers et/ou le forage de puits pétroliers.