OA12140A - Dispositif de liaison fond-surface comportant un dispositif stabilisateur. - Google Patents

Description

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DISPOSITIF DE LIAISON FOND-SURFACE COMPORTANT UNDISPOSITIF STABILISATEUR

La présente invention concerne le domaine connu des liaisons fond-surface du type comportant une conduite sous-marine verticale, appeléeriser, reliant le fond de la mer jusqu'à un support flottant installé ensurface. Dès que la profondeur d'eau devient importante l'exploitation deschamps de production notamment des champs pétroliers s'effectue engénéral à partir d'un support flottant. Ce support flottant comporte engénéral des moyens d'ancrage pour rester en position malgré les effets descourants, des vents et de la houle. Il comporte aussi en général des moyensde stockage et de traitement du pétrole ainsi que des moyens dedéchargement vers des pétroliers enleveurs. L'appellation de ces supportsflottants est le terme anglo-saxon "Floating Production Storage Offloading"(signifiant "moyen flottant de stockage, de production et de déchargement")abrégé par "FPSO". De nombreuses variantes ont été développées tels lesSPARS, longs cigares flottants maintenus en position par des ancragescaténaires, ou encore les TLPs, plates-formes à lignes d'ancrage tendues,lesdites lignes étant en général verticales.

Les têtes de puits sont souvent réparties sur la totalité du champ etles conduites de production, ainsi que les lignes d'injection d'eau et lescâbles de contrôle commande, sont déposées sur le fond de la mer endirection d'un emplacement fixe, à la verticale duquel le support flottant estpositionné en surface.

Certains puits sont situés à la verticale du support flottant etl'intérieur du puits est alors accessible directement depuis la surface. Dansce cas la tête de puits équipée de son "arbre de Noël" peut être installée ensurface, à bord du support flottant. On peut alors effectuer, à partir d'underrick installé sur ledit support flottant, toutes les opérations de forage, deproduction et de maintenance du puits pendant toute la durée de vie duditpuits. On parle alors de tête de puits sèche.

Pour maintenir le riser équipé de sa tête de puits sèche en position sensiblement verticale il convient d'exercer une traction vers le haut qui 2 12140 peut être appliquée, soit par un système de tensionnement à câbles à l'aidede treuils ou de vérins hydrauliques installés sur le support flottant, soit àl'aide de flotteurs répartis le long du riser et installés à diversesprofondeurs, soit encore par une combinaison des deux.

On connaît le brevet N°2 754 011 au nom de l'IFP décrivant unebarge et un système de guidage pour riser, ce dernier étant équipé deflotteurs.

La profondeur d'eau de certains champs pétroliers dépassant 1 500met pouvant atteindre 3 000m, le poids des risers sur de telles hauteursnécessite leur maintient en position, des efforts pouvant atteindre etdépasser plusieurs centaines de tonnes. On utilise des éléments deflottabilité de type "bidon" rajoutés à des structures immergées,principalement sur les risers reliant la surface aux ultra grands fonds (1000-3000m). La conduite sous-marine consiste alors en une colonne montantecomportant une conduite sous-marine assemblée à au moins un flotteurcomportant un bidon coaxial entourant ladite conduite et traversé par laditeconduite.

De préférence, des moyens de jonction dudit bidon et de laditeconduite comprennent une articulation étanche assemblée autour de laditeconduite à au moins l’un des orifices supérieur ou inférieur dudit bidon.

Les flotteurs concernés sont de grandes dimensions avec notammentun diamètre supérieur à 5m, et une longueur de 10 à 20m et possèdent desflottabilités pouvant atteindre 100 tonnes.

Ils sont en général disposés en chapelet l'un en dessous de l'autre.

Les flotteurs s'étendent en général sur une longueur correspondantenviron à pas plus de 10% de la longueur de la liaison fond-surface;notamment sur une longueur de 100 à 200 mètres.

Le riser est mis en tension par ces flotteurs et se trouve guidé, depréférence au niveau du support flottant, par des guidages à rouleaux situésdans un plan permettant le maintien et le guidage d'un riser par rapport ausupport flottant. Des moyens de tensionnement à câbles jouant le rôle deguidage peuvent être utilisés.

On connaît dans FR 2 754 021 un dispositif de guidage d'un risermuni de flotteurs en tête comprenant des roulettes permettant le 1214 0 coulissement vertical du riser, ainsi que sa rotation autour d'un axehorizontal et guidant ses déplacements horizontaux, de sorte que lesmouvements de translation horizontale du riser suivent substantiellementceux du support flottant. On connaît aussi dans FR 99 10417 un dispositifde guidage perfectionné comprenant des roulettes et des patins defrottement disposés radialement autour de la conduite.. On connaît enfindivers systèmes de guidage impliquant des tensionnements par câble. L'intégralité du riser se comporte alors comme une corde tendueentre le fond de la mer et le point situé à l'axe du système de guidage auniveau du support flottant.

Ce riser est soumis aux effets de la houle, du courant et de plus auxmouvements horizontaux dudit support flottant soumis lui aussi aux mêmeseffets. L'eau en mouvement dans la tranche d'eau crée des effets de traînéesur la structure du riser et de ses flotteurs, engendrant de ce fait des effortsimportants de direction variable.

Dans certaines configurations de mouvements de particules d'eau, ilse produit des effets d'interaction entre le fluide et le riser qui se traduisentpar des détachements tourbillonnaires alternés sur le contour du riserdécrits figure 13.

Lorsque la période de ce détachement tourbillonnaire alterné estproche des périodes d'excitation propre du riser, il se produit alors lephénomène dit "d'accrochage" qui conduit à des vibrations du riser. L'intensité des vibrations générées par les détachementstourbillonnaires alternés, lors de "l'accrochage", est d'autant plus grandeque la longueur de riser sur laquelle les détachements de tourbillonss'effectuent simultanément est importante. Cette longueur est désignée parl'homme de l'art sous le nom de "longueur de corrélation".

Si on regarde le riser comme étant un fil attaché à ses deuxextrémités, son comportement global est sujet à des déplacementstransversaux de plusieurs mètres présentant une fréquence naturelled'excitation et des harmoniques correspondant à un mode dit "modeguitare", c'est à dire que le riser vibre entre ses deux extrémités comme unecorde de guitare. 12140

Dans le cas des risers sans flotteurs dont les caractéristiques desection (notamment le diamètre, l'inertie, la raideur), sont sensiblementuniformes ou continus, on observe seulement ce mode de vibration de type"guitare" représenté sur les figures 3 et 4.

De même, dans le cas d'un riser à forte flottabilité comme dans WO99/05389 pour lequel la flottabilité est répartie sur toute la longueur duriser pour obtenir une flottabilité d'environ 95 à 98%, on observeseulement des vibrations selon le mode "guitare".

Dans WO 95/27101 et WO 99/05389, on connaît des dispositifs destabilisation de riser soumis à des vibrations de type "guitare" liées auxeffets de perturbation tourbillonnaire ou vortex autour du riser.

Dans WO 99/05389, les flotteurs sont répartis sur toute la longueurdu riser sous forme de coquille cylindrique de mousse syntactique. Ledispositif de stabilisation consiste dans la modification de la forme desflotteurs dans la partie supérieure correspondant à la tranche d'eau soumiseà la houle, pour obtenir une surface non cylindrique de section hexagonale.La solution proposée dans WO 99/05389 se traduit par une réduction duvolume des flotteurs dans la partie haute et donc une réduction de leurflottabilité par rapport au reste du riser, à encombrement équivalent. Cetype de modification à géométrie plane a pour effet une augmentation de latraînée et une diminution de l'excitation induite par les détachementstourbillonnaires, et stabilise le riser seulement par absorption d'énergie.

Dans WO 95/27101, on stabilise une conduite tubulaire soumiseégalement uniquement à une vibration selon le mode "guitare" en l'équipantd'une pluralité d'enveloppes perforées à différents niveaux autour de lapartie courante de la conduite. Ces enveloppes perforées sont coulissantesautour de la conduite pour être mises en place spécifiquement à l'endroitdes zones soumises aux vibrations correspondant au ventre de la vibration.

Dans US 4 768 984, on décrit un dispositif de stabilisation d'un risermuni d'une bouée en tête libre, ladite bouée supportant une installationcomprenant une plate forme de travail. Cette installation en surface crée undéséquilibre de par l'élévation du centre de gravité par rapport au centre depoussée ou centre de flottabilité qu'elle entraîne. On cherche donc àrétablir la proximité, de préférence la coïncidence entre le centre de gravité 5 12140 et le centre de flottabilité de la partie supérieure de la conduite en ajoutantune structure en treillis ou armature, qui constitue une masse, en dessousdu flotteur, compensant le poids de la structure au-dessus du flotteur. Lastructure en treillis ou en armature de par sa forme particulière évite decréer une trop grande augmentation des perturbations dans la zoneconcernée.

La présente invention concerne la stabilisation d'un type de liaisonfond-surface différent de ceux décrits dans la technique antérieure etpropose une solution de stabilisation originale.

En effet, la présente invention concerne un dispositif de liaisonfond-surface comportant au moins une conduite sous-marine comprenantau moins un flotteur, de préférence une pluralité de flotteurs en chapelet,lesdits flotteurs consistant en des bidons entourant ladite conduite,localisés dans la partie haute immergée de la conduite, ladite conduite étantmaintenue en surface par un dispositif de guidage, de préférence au niveaud'un support flottant, et la partie située dessous la zone des flotteurs étantdonc majoritairement, voire complètement, dépourvue de flotteur.

On entend ici, comme mentionné précédemment, par "dispositif deguidage" les dispositifs connus de l'homme de l'art permettant lecoulissement vertical du riser, ainsi que sa rotation autour d'un axehorizontal et guidant ses déplacements horizontaux, de sorte que ceux-cisont contrôlés et de préférence suivent substantiellement ceux du supportflottant le cas échéant.

Les inventeurs ont découvert que dans le cas de ce type de riser munide flotteurs seulement en tête et comportant un système de maintien et deguidage en surface, on peut observer un phénomène de vibration trèsdifférent et accentué, dans lequel la portion supérieure, correspondantsensiblement à la longueur des flotteurs, se comporte comme un pendule,alors que la partie basse dessous les flotteurs présente un comportement serapprochant d'un phénomène de type "guitare". Le comportement de type"pendule" de la partie supérieure du riser est favorisé par la différenced'inertie structurelle entre les deux sections du riser. Ce mouvement"pendulaire" influence de façon très significative le comportement del'ensemble du riser et on observe alors un couplage du mode "pendule" et 12140 des modes "guitare" comme représenté sur les figures 6 et 7. Lecomportement global du riser est alors particulièrement sensible à touteexcitation qui tend à engendrer le mouvement pendulaire de la partie hautedu riser.

Ainsi, le problème de l'invention est d'empêcher ou de réduirel'apparition de vibrations correspondant aux modes combinés de type"guitare-pendule" sur les risers tendus par des flotteurs situés en tête,lorsqu'ils sont excités par la houle et le courant ou encore les déplacementshorizontaux de la barge, en réduisant ou, de préférence, en éliminant lecomportement pendulaire de la partie haute du riser.

Plus particulièrement, les inventeurs ont mis en évidence que leproblème posé est d'éviter ou de réduire les phénomènes hydrodynamiquesà l'origine de l'excitation des modes vibratoires du système couplé "riser-flotteurs", et d'éviter ou réduire la réponse du système couplé "riser-flotteurs" aux excitations. S'agissant typiquement d'un problème de type "couplage fluide-structure", l'interaction entre les deux aspects, à savoir, l'excitation et laréponse du système, est forte. Les phénomènes hydrodynamiques ainsi queles mouvements de la barge agissent sur la structure qui, elle-même,rétroagit sur l'excitation d'origine hydrodynamique. L'invention concerneainsi la mise en place de dispositifs apportant une solution à l'un ou l'autre,ou aux deux aspects du problème.

Le problème de la présente invention concerne donc selon unpremier aspect, l'élimination ou réduction de l'excitation des modesvibratoires du système couplé "riser-flotteurs". Les inventeurs ont mis enévidence que selon ce premier aspect, le problème concerne uniquement lamise en œuvre de dispositifs influant sur l'excitation d'originehydrodynamique des modes vibratoires due aux détachementstourbillonnaires apparaissant sur le contour des flotteurs ou du riser.

Le problème de la présente invention concerne aussi, selon undeuxième aspect, l'élimination ou réduction de la réponse du systèmecouplé "riser-flotteur" aux excitations dues aux phénomèneshydrodynamiques ou aux mouvements horizontaux de la barge. 7 12140

Les inventeurs ont mis en évidence que selon ce deuxième aspect, leproblème concerne la mise en œuvre de dispositifs visant à modifier lesfréquences des modes de vibration du système couplé "riser-flotteur" afinde s'éloigner des fréquences de détachements tourbillonnaires et éviter le"phénomène d'accrochage".

Pour ce faire, la présente invention fournit un dispositif de liaisonfond-surface comportant au moins une conduite sous-marine comprenantau moins un flotteur, de préférence une pluralité de flotteurs en chapelet,lesdits flotteurs consistant en des bidons entourant ladite conduite,localisés dans la partie haute immergée de la conduite, ladite conduite étantmaintenue en surface par un dispositif de guidage, de préférence au niveaud'un support flottant. La partie située dessous la zone des flotteurs est doncmajoritairement, voire complètement, dépourvue de flotteur.

Selon la présente invention, ledit dispositif comprend au moins undispositif stabilisateur situé dans la partie supérieure de la conduiteconstituée par : - la partie basse de la zone des flotteurs, de préférence sur ou auniveau du flotteur le plus bas, et - la zone de transition entre les flotteurs et la partie courante àdiamètre sensiblement constant de ladite conduite.

Ladite zone de transition "riser-flotteur" correspond à une zone oùles caractéristiques mécaniques de la conduite (le diamètre, la section oul'inertie de la conduite) décroissent progressivement vers le bas jusqu'àatteindre la partie courante de la conduite, laquelle correspond à la partiede la conduite à diamètre sensiblement constant située en dessous de laditezone de transition. L'invention tire profit du comportement pendulaire très particulier dece type de liaison fond-surface, pour contribuer à la stabilisation dusystème.

En effet, les dispositifs de stabilisation selon l'invention sontavantageusement localisés à l’extrémité inférieure de la zone des flotteursou dessous le chapelet de flotteurs, car les inventeurs ont mis en évidenceque cette localisation correspond à la zone où l'excitation des détachementstourbillonnaires est prédominante. En effet, cette excitation est fortement 8 12140 liée à l'amplitude du déplacement horizontal du riser ; et à cette localisationle bras de levier est le plus important par rapport à l'axe de rotation dumouvement de type pendule. Cette localisation augmente donc l'effetstabilisateur du dispositif de stabilisation. De plus, ladite localisationconstitue un point singulier de ladite conduite car la tension y estmaximale.

Les dispositifs stabilisateurs de l'invention permettent ainsi deréduire, voire d'éliminer, conjointement l'excitation et la réponse des modesvibratoires du système couplé "riser-flotteur".

Plus particulièrement, ledit dispositif stabilisateur comprend aumoins un dispositif choisi parmi : un dispositif d'absorption d'énergie, - un dispositif augmentant la masse d'eau entraînée au cours deson mouvement, et - un dispositif abaissant le centre de gravité de ladite partiesupérieure de la conduite.

De préférence, le dispositif stabilisateur cumule au moins deux, depréférence les trois, des effets choisis parmi : - l'absorption d'énergie, - l'augmentation de la masse d'eau entraînée au cours de sonmouvement, et - l'abaissement du centre de gravité de ladite partie supérieure de laconduite.

Dans un mode de réalisation l'absorption d'énergie est obtenue parun élément de structure augmentant la surface de contact avec l'eau et/oucréant une surface de contact avec l'eau non cylindrique par rapport à l'axede ladite conduite.

Ainsi, cet élément de structure peut être constitué par : - une modification de la forme de la surface du flotteur ou de laconduite, celle-ci présentant alors une forme non cylindrique,par rapport à l'axe de ladite conduite, ou - un élément de structure additionnel associé à la surface duflotteur ou de la conduite. 9 12140

Ledit élément de structure additionnel augmentant la surface decontact du flotteur ou de la conduite avec l'eau peut présenter une surface àgéométrie tridimensionnelle ou plane. De préférence, cette surface àgéométrie tridimensionnelle est une surface non parallèle à la surfacecylindrique de la conduite.

Avantageusement, ledit dispositif stabilisateur comprend, l'un desmodes de réalisation suivant, pris séparément ou en combinaison : - la forme non cylindrique de la surface extérieure d'un flotteur oud'une partie de conduite, et - une rampe hélicoïdale entourant un dit flotteur ou ladite conduite.

Comme dit dispositif abaissant le centre de gravité de la partie supérieure de la conduite on peut citer un dispositif stabilisateurcomprenant une masse additionnelle située dans ou autour d'un flotteur ouentourant ladite conduite.

Dans un mode de réalisation ledit dispositif stabilisateur comprendun caisson, de préférence coaxial entourant ladite conduite dont la surfaceextérieure comprend des perforations. Par "perforation", on entend toutespace ou toute ouverture laissant passer l'eau à l'intérieur.

Dans certains modes de réalisation, notamment lorsque le dispositifstabilisateur est un caisson perforé, celui-ci cumule différents aspects, àsavoir qu'il consiste en un dispositif abaissant le centre de gravité puisqu'ilest situé dans la partie inférieure de la zone des flotteurs, et un dispositifaugmentant la masse d'eau entraînée au cours de son mouvement dans lamesure où il contient de l'eau, et un dispositif absorbeur d'énergie de parl'augmentation de la traînée liée aux perforations de la surface.

Comme dispositif apportant une masse additionnelle on peut citer unflotteur non perforé partiellement ou totalement rempli d'eau. L'invention consiste donc à utiliser en particulier soit des dispositifsadditionnels, tels des hélices ou des caissons perforés, soit des flotteursnon cylindriques de formes variées, soit encore la combinaison de ces deuxtypes solutions.

Dans un mode de réalisation, la zone des flotteurs comprendplusieurs flotteurs, de préférence au moins quatre. 10 12140

De préférence, le dispositif stabilisateur est situé sur ou au niveau duflotteur le plus bas, ou dans ladite zone de transition, juste en dessous duflotteur le plus bas.

Lesdits éléments de structure à géométrie tridimensionnelleabsorbent de l'énergie, de manière à limiter l'apparition des détachementstourbillonnaires et/ou réduire leurs longueurs de corrélation, tout enaugmentant la masse d'eau entraînée.

Les dispositifs stabilisateurs par absorption d'énergie et augmentationde la masse d'eau entraînée contribuent aussi à modifier avantageusement,de préférence à réduire, les fréquences propres de vibration du système"riser-flotteur" et donc à réduire sa réponse à l'excitation due auxphénomènes hydrodynamique ou aux mouvements horizontaux de la barge. L'invention comprend également la mise en œuvre d'un dispositifstabilisateur permettant d'augmenter l'inertie du chapelet de flotteurs enabaissant son centre de gravité, et d'autre part, en un dispositif permettantd'augmenter la masse d'eau entraînée au cours de son mouvement, massed'eau connue par l'homme de l'art sous la désignation de "masse ajoutée".Ces deux types de stabilisateurs peuvent être concomitants dans un mêmedispositif comme mentionné ci-dessus.

Ces dispositifs d'abaissement du centre de gravité et d'augmentationde la "masse ajoutée", en dehors de leur effet favorable sur les fréquencesde vibration du système couplé "riser-flotteur", permettent de stabiliser lapartie haute du riser en augmentant son inertie et contribue ainsi àl'amortissement du mouvement pendulaire. Ces dispositifs sont égalementinstallés de préférence sur la partie inférieure du chapelet de flotteurs ou endessous où ils sont particulièrement efficaces car la dynamique du systèmecouplé est principalement gouvernée par le mouvement pendulaire desflotteurs, et influe donc de manière importante sur la fréquence propred'oscillation du riser en mouvement, pris dans sa globalité.

Dans le cas de risers regroupés en faisceau, l'excitation des modesvibratoires n'est plus seulement due aux détachements tourbillonnaires surle riser considéré mais également aux interactions de l'écoulement avec lesautres risers du faisceau. La mise en place des dispositifs stabilisateursenvisagés dans le cadre de cette invention permet donc de désorganiser les 12140 sillages autour de chaque riser et contribue avantageusement à réduirel'excitation des modes vibratoires sur les risers voisins.

La présente invention a également pour objet un dispositif de liaisonfond-surface comportant une pluralité de conduites sous-marines selonl'invention, c'est-à-dire comprenant au moins un dispositif stabilisateur etregroupés en faisceaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inventionapparaîtront à la lumière de la description détaillée qui va suivre, enréférence aux figures suivantes dans lesquelles : • la figure 1 est une vue de côté d'un riser équipé de flotteursassociés à une coupe en vue de côté d'une barge ancrée supportantdes équipements de traitement, • les figures 2, 3 et 4 sont des vues de côté d'un riser tensionné entête par des moyens extérieurs non représentés, en situationrespectivement de repos (figure 2), et de vibration de type"guitare" respectivement en mode 1 (figure 3) et en mode 2(figure 4), • les figures 5, 6 et 7 sont des vues de côté d'un riser tensionné pardes flotteurs, en situation respectivement de repos (figure 5), et devibration de type "guitare-pendule" respectivement en mode 1(figure 6) et en mode 2 (figure 8), • les figures 8 et 9 sont des vues de côté d'un riser comportant desflotteurs, l'ensemble étant en position inclinée, ce qui permet dedétailler les forces F de flottabilité et P de masse liée au centre degravité, respectivement sans masse additionnelle et avec masseadditionnelle, • la figure 10 est une vue de côté d'un riser comportant desflotteurs, des absorbeurs d'énergie de type "hélice" étant installéssur le flotteur le plus bas, • la figure 11 est une vue de côté d'un riser comportant desflotteurs, équipé d'un dispositif absorbeur d'énergie de typecaisson perforé à turbulences, situé en dessous et en prolongementdu flotteur le plus bas, 12 12140 • la figure 12 est une vue de côté d'un riser équipé de flotteurs deformes extérieures variées dont le but est d'empêcher la formationde décrochements tourbillonnaires. • la figure 13 est une coupe en vue de dessus d'une conduite soumiseà un courant provoquant des tourbillons.

La figure 1 est une vue de côté d'un dispositif de liaison fond-surfacecomprenant un riser 1 équipé de quatre flotteurs 2. Le riser débouche dansune baie de forage de la barge 15 supportant des équipements de traitement 17. Les quatre flotteurs constituent ladite zone 4 des flotteurs. Le flotteursupérieur est de diamètre et de flottabilité plus importante notamment car ilest intégralement situé dans la baie de forage, c'est-à-dire une zone de lacoque du support flottant, abritée des effets de la houle et du courant.

Le dispositif de liaison comporte dans sa partie basse une conduite 1de diamètre sensiblement constant , ainsi qu'une zone de transition 5présentant une légère conicité située juste dessous la zone des flotteurs. Lesommet du riser est guidé par système de guidage comprenant un dispositifà rouleaux 16 solidaire de la structure de ladite barge. Ces moyens deguidage permettent le coulissement dudit riser selon son axe longitudinal etguident ses déplacements latéraux dans un plan horizontal perpendiculaireaudit axe longitudinal du riser. Sur les figures 1 à 12 le système de guidageest représenté schématiquement, la structure le rendant solidaire de la bargen'étant pas représentée.

La figure 13 est une coupe en vue de dessus d'une conduite 1 soumiseà un courant 25 provoquant des tourbillons 26 en aval de ladite conduite.

Le phénomène de tourbillon est représenté en position A. Letourbillon prend naissance en cette position, se développe puis se détachede la structure et est entraîné ensuite dans le courant, en aval de laconduite. En même temps qu'un tourbillon se développe en position A, unautre tourbillon prend naissance en position B, qui évoluera par la suite.Cette position B est sensiblement symétrique de la position A par rapport àl'axe du courant. Les tourbillons sont ainsi générés alternativement dans lespositions A et B. Cette instabilité est appelée "détachement tourbillonnairealterné". L'apparition d'un tourbillon s'accompagne d'un défaut de pression, 13 12140 et lorsqu'il sc produit d'un même côté simultanément sur une hauteursuffisante, par exemple du côté A, les efforts latéraux engendrés tendent àdéplacer la conduite vers la gauche c'est à dire vers la position C. Lagénération d'un nouveau tourbillon en position B entraînera ensuite uneffort de pression vers la droite, c'est-à-dire vers la position D. Les effortslatéraux de pression vont ainsi se succéder de part et d'autre de la conduite.Lorsque la fréquence d'excitation liée à cette instabilité est proche desfréquences propres de la conduite, elle entraîne des vibrations de cetteconduite. L'amorçage de ce phénomène de vibration est appelé"accrochage".

Les caractéristiques de cette instabilité évoluent avec des paramètresliés à l'écoulement (vitesse) et à la géométrie de la conduite (diamètre). Ilfaut préciser que, dans certains cas bien particulier, la vibration s'effectuedans la direction du courant et non perpendiculairement, le détachementtourbillonnaire n'étant plus alors "alterné" mais "simultané", dans lespositions A et B de la figure 13.

Les figures 2, 3 et 4 sont des vues de côté d'une conduite 1 encastréeen pied et tensionné en tête par des moyens extérieurs non représentés, etguidé par un dispositif à rouleaux 16, en situation respectivement de repos(figure 2), et de vibration de type "guitare" respectivement en mode 1(figure 3) et en mode 2 (figure 4).

Dans les figures 3 et 4, les ventres 12 et nœuds 11 se forment dansdes plans 10 situés sensiblement à L/2 ou L/4.

Les figures 5, 6 et 7 sont des vues de côté d'un riser 1 tensionné pardes flotteurs 2 et guidé en tête par un dispositif à rouleaux 16, en situationrespectivement de repos (figure 5), et de vibration de type "guitare-pendule", respectivement en mode 1 (figure 6) et en mode 2 (figure 7).

Les déformations ont été considérablement exagérées pour la clartéde la description, qui montre que les plans 10 dans lesquels se forment lesnœuds 11 et les ventres 12 sont fortement décalés vers le haut. Sur lafigure 6, le riser oscille entre les deux positions extrêmes 13a-13breprésentées, alors que la figure 7 ne représente le riser que dans l'une deses positions extrêmes. 14 12140

Sur la figure 5, on a représenté à droite du riser la variationsensiblement linéaire de la tension du riser le long de son axe longitudinal.La tension croît à partir du point de guidage. La tension est maximale(Tmax) à la jonction de la zone des flotteurs avec la zone de transition 5.Puis, la tension décroît avec la profondeur dans la partie courante etconfère au riser un mode de déformation de type "corde vibrante" (figures6 et 7) encore appelé "mode guitare". Dans la zone des flotteurs 4, latension décroît lorsque l'on remonte vers la surface, pour s'inverser etdevenir compression dans la partie émergée du riser au-dessus du flotteursupérieur et atteindre une compression maximale au-dessus du système deguidage en tête de puits. Il en résulte que la partie haute du riser secomporte comme un pendule pivotant autour d'un point fixe en tête deriser, ce qui fait la particularité de ce type de riser qui constitue un systèmecouplé "pendule-corde vibrante" sous l'effet du courant et de la houle sur leriser et sur la barge.

Dans les figures 9 à 12 sont présentés des dispositifs de stabilisationqui visent à réduire ou éliminer le comportement pendulaire de la partiehaute du riser. Ces dispositifs de stabilisation sont localisés dans la zonedes flotteurs 4 ou dans la zone de transition 5 "riser-flotteur" quicorrespond à une zone où le diamètre de la conduite décroîtprogressivement vers le bas, jusqu'à atteindre la partie courante de laconduite, laquelle correspond à la partie de la conduite à diamètresensiblement constant située en dessous de ladite zone de transition.

Dans les figures 8 et 9 représentant la zone des flotteurs, les forces Fde flottabilité et P de masse liée au centre de gravité de l'ensemble,respectivement sans masse additionnelle (figure 8) et avec une masseadditionnelle 7 installée dans la partie basse du flotteur inférieur (figure 9).La masse additionnelle 7 est obtenue par une enceinte entourant le flotteurcontenant un composé pondéreux tel que du minerais de fer. Il pourraits'agir d'un flotteur lui-même rempli d'eau.

Sur la figure 8, la masse de la zone des flotteurs correspond à PI.

La masse additionnelle 7 augmente la valeur de la masse de PI à P2et abaisse le centre de gravité. Le moment de rappel de la force P2 est ainsiaugmentée, ce qui a pour effet de stabiliser la conduite. 15 12140

La figure 10 est une vue de côté d'un riser 1 comportant des flotteurs2, des stabilisateurs de type "hélice" 8 comprenant des rampes hélicoïdalessont installés sur le flotteur le plus bas, de préférence dans sa partiebasse. Les hélices 8 pourraient avantageusement être installées sur la pièceconstituant la zone de transition 5, située juste en dessous du dernierflotteur. La zone d'efficacité maximale se situe dans l'une de ces deuxpositions. Les hélices sont installées de manière très ponctuelle, parexemple sur une hauteur de trois ou 4 mètres. Chaque rampe hélicoïdale 8ne réalise qu'une section angulaire partielle du contour du flotteur.

Ces structures à géométrie tridimensionnelle rapportée à la surfacedu flotteur confèrent un double effet de stabilisation par absorptiond'énergie et augmentation de la masse d'eau, voire également un troisièmeeffet de stabilisation par abaissement du centre de gravité.

La figure 11 est une vue de côté d'un riser 1 comportant des flotteurs2, équipé d'un dispositif de stabilisation de type caisson perforé àturbulences 9, situé en dessous et en prolongement du flotteur le plus bas,par exemple dans la zone de transition, c'est-à-dire à une profondeurd'environ 50 à 100 m éloignée des effets de la houle. Ce caisson estconstitué d'une simple enveloppe percée de trous de section variable ounon, solidaire du riser. La masse d'eau piégée à l'intérieur du caisson quipeut représenter 20 à 50 tonnes sera mise en mouvement lors desdéplacements latéraux du riser et s'oppose par son inertie auxditsdéplacements. Les ouvertures pratiquées dans le caisson autorisent desmouvements limités de l'eau piégée vers l'extérieur, puis vers l'intérieur, cequi crée un amortissement complémentaire par absorption d'énergie etaccroît ainsi considérablement l'effet stabilisateur.

Enfin l'ajout de ce caisson en dessous des flotteurs confèreégalement un troisième effet d'abaissement du centre de gravité.

La figure 12 est une vue de côté d'un riser 1 équipé de flotteurs 2 deformes extérieures variées dont le but est d'absorber l'énergie pourempêcher la formation de détachements tourbillonnaires conduisant à deseffets d'accrochage.

En effet, les détachements tourbillonnaires se produisent sur lessurfaces extérieures des flotteurs ou des conduites tel qu'expliqué dans la 16 12140 description de la figure 13. Lorsque les génératrices sont cylindriques (2a),les tourbillons 26 ont tendance à se former simultanément d'un même côtésur des longueurs variables. Dès que la longueur devient suffisante, parexemple 5 ou 10 mètres ou plus, les forces engendrées se cumulent et sont 5 dirigées dans une même direction, ce qui provoque le phénomène"d'accrochage" conduisant à la mise en vibration du riser.

En supprimant les génératrices cylindriques du flotteur 2 et en lesremplaçant par des formes variées telles que de? cônes 2b ou des formes derévolution convexes 2d ou concaves 2c, les risques d'accrochage sont 10 réduits, voire supprimés. Ces formes particulières peuvent aussi être desécrans extérieurs rajoutés à des bidons cylindriques conventionnels.

Ces formes particulières sont avantageusement combinées avecd'autres dispositifs de stabilisation tel que le remplissage d'eau du flotteurle plus bas ou l'association avec un caisson perforé dans la zone de 15 transition 5.

Claims (14)

17 12140 REVENDICATIONS

1. Dispositif de liaison fond-surface comportant au moins uneconduite sous-marine (1) comprenant au moins un flotteur (2), depréférence une pluralité de flotteurs en chapelet, lesdits flotteurs consistanten des bidons entourant ladite conduite (1), localisés dans la partie hauteimmergée de la conduite, ladite conduite étant maintenue en surface par undispositif de guidage, de préférence au niveau d'un support flottant (15), deflotteur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositifstabilisateur (3) situé dans la partie supérieure de la conduite constituéepar : - la partie basse de la zone des flotteurs (4), de préférence sur ou auniveau du flotteur le plus bas, et - la zone de transition (5) entre les flotteurs (4) et la partie couranteà diamètre sensiblement constant (6) de ladite conduite (1).

2. Dispositif de liaison fond-surface selon la revendication 1caractérisé en ce que le dispositif stabilisateur comprend au moins undispositif choisi parmi : - un dispositif d'absorption d'énergie (7, 8, 9), - un dispositif augmentant la masse d'eau entraînée au cours de sonmouvement (7, 9), et - un dispositif abaissant le centre de gravité (7,9) de ladite partiesupérieure de la conduite.

3. Dispositif de liaison fond-surface selon la revendication 2,caractérisé en ce que ledit dispositif stabilisateur cumule au moins deux, depréférence les trois, des effets choisis parmi : - l'absorption d'énergie (7, 8, 9), - l'augmentation de la masse d'eau entraînée au cours de sonmouvement (7, 9), et - l'abaissement du centre de gravité (7, 9) de ladite partie supérieurede la conduite.

4. Dispositif de liaison fond-surface selon l'une des revendications 1 à3, caractérisé en ce que ledit dispositif comprend un élément de structureaugmentant la surface de contact avec l'eau (8) ou créant une surface de 12140 18 contact avec l'eau non cylindrique par rapport à l'axe de ladite conduite (2b,2c, 2d).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé ence que ledit dispositif stabilisateur comprend la forme non-cylindrique (2b,2c, 2d) de la surface extérieure d'un flotteur (2) ou d'une partie de conduite(5)·

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ceque ledit dispositif stabilisateur comprend au moins une rampe hélicoïdale(8) entourant un dit flotteur (2) ou ladite conduite (1).

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ceque ledit dispositif stabilisateur comprend un caisson coaxial entourantladite conduite dont la surface extérieure comprend des perforations (9).

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ceque le dispositif stabilisateur comprend une masse additionnelle (7) situéedans ou autour d'un flotteur (2) ou entourant ladite conduite (1).

9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'ilcomprend un flotteur partiellement rempli d'eau, de préférence le flotteurle plus bas.

10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ceque la zone des flotteurs (4) comprend plusieurs flotteurs (2), de préférenceau moins quatre.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé ence que ledit dispositif stabilisateur est situé dans la partie basse de la zonedes flotteurs (4), de préférence sur ou au niveau du flotteur le plus bas.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé ence que ledit dispositif stabilisateur est situé dans ladite zone de transition(5), de préférence juste dessous le flotteur le plus bas.

13. Dispositif selon la revendication 12 caractérisé en ce que lazone des flotteurs comprend plusieurs flotteurs dont les surfacesextérieures présentent des formes non-cylindriques différentes dont lagénératrice peut être droite (2b) ou courbe (2C, 2a).

14. Dispositif de liaison fond-surface selon l'une desrevendications 1 à 13 caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de ditesconduites sous-marines regroupées en faisceaux.