WO2011144828A1 - Faisceau de conduites pétrolières à performance thermique améliorée - Google Patents

Faisceau de conduites pétrolières à performance thermique améliorée Download PDF

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WO2011144828A1
WO2011144828A1 PCT/FR2011/000304 FR2011000304W WO2011144828A1 WO 2011144828 A1 WO2011144828 A1 WO 2011144828A1 FR 2011000304 W FR2011000304 W FR 2011000304W WO 2011144828 A1 WO2011144828 A1 WO 2011144828A1
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WO
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pipes
bundle
pipe
harness according
insulating material
Prior art date
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PCT/FR2011/000304
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English (en)
Inventor
Mickaël MARTINEZ
Daniel Averbuch
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles
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    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/14—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems
    • F16L59/153—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems for flexible pipes
    • 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
    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/01—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells specially adapted for obtaining from underwater installations
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16L9/18—Double-walled pipes; Multi-channel pipes or pipe assemblies
    • F16L9/19—Multi-channel pipes or pipe assemblies
    • F16L9/20—Pipe assemblies

Definitions

  • the present invention relates to the field of piping bundles implemented for the oil exploitation of deposit in very deep sea.
  • the invention applies to the exploitation of oilfields in the deep sea, that is to say, oil installations installed at sea, in which the surface equipment is generally located on floating structures, the heads of wells being at the bottom of the sea.
  • the deep-sea oil field developments are carried out by water depths currently reaching 1500 m. Future developments are envisaged by water depths up to 3000 m and beyond.
  • An underwater field is often made up of secondary fields that can be distant from each other, but too small to warrant surface installation for everyone.
  • the production lines of a secondary field are then grouped and brought to the surface equipment, and eventually to shore facilities, over distances that may exceed several tens of kilometers.
  • the pipes are collected either in a single pipe of larger diameter, or in a bundle of pipes if the fluids can not be mixed.
  • the bundling of pipes makes it possible to improve the thermal insulation of the pipes and to limit the size of the field, in particular to cross the section of water between the bottom and the surface of the sea.
  • the bundles of pipes are commonly called "
  • Petroleum products transported by pipe to the sea are cooled by the temperature of the surrounding water, especially at great depth, where it is around 4 ° C. Too much cooling would be problematic both in the normal production regime and in case of production stoppage. Indeed, in this type of application, many problems arise if the temperature of the petroleum products decreases by significant value in relation to their production temperature which is often above 60 ° C to 80 ° C. If the petroleum products are cooled, for example, below 40 ° C. for an initial temperature of 70 ° C. to 150 ° C., depending on the nature of the fluid transported, the following can be observed:
  • Paraffins and asphaltenes remain attached to the wall and then require cleaning by scraping the inside of the pipe. Hydrate corks are more difficult or even impossible to eliminate.
  • the "pipe bundle” are often provided with a passive thermal insulation device, possibly supplemented by an active heating.
  • the thermal insulation of such pipes therefore has the function of delaying the cooling of the petroleum effluents conveyed not only in the established production regime, so that their temperature is for example at least 40 ° C when arriving at the surface, for a temperature of production at the inlet of the pipe from 70 ° C to 80 ° C, but also in case of reduction or even stop of production, in order to prevent the temperature of the effluents from falling, for example, below 20 ° C C or 30 ° C, to limit the problems mentioned above, or at least to allow to make them reversible.
  • WO 00/40886 discloses a solid-liquid phase change isolation material and latent heat of fusion, capable of returning calories to the inner line to limit fluid cooling in the lines.
  • the present invention describes a structure of a bundle of pipes which proposes to promote the heat exchange between the pipes in order to allow the transfer of heat from a pipe in production to a pipe at the end of production and to limit the cooling of the fluid in driving in stop.
  • the present invention relates to a bundle of pipes for the transport of hydrocarbons at sea, comprising a tube of insulating material having a coefficient of thermal conductivity of less than 0.3 W / (mK), said tube forming an interior space at least two pipes being arranged in the interior space.
  • the driving beam is characterized in that the interior space further comprises a heat conductive material in contact with said at least two conduits, the conductive material having a thermal conductivity coefficient greater than 0.5 W / (mK).
  • the heat conducting material can be a liquid.
  • the conductive material may be selected from polymeric materials having a metal charge.
  • the insulating material may be chosen from a polymeric foam, a polymeric syntactic foam, an elastomer.
  • Both lines can be in contact.
  • the insulating material may be contained in an envelope.
  • the casing may form a tubular wall disposed between the tube of insulating material and the heat conducting material.
  • the envelope may form at least one closed enclosure containing the conductive material, the enclosure being in contact with the two pipes.
  • the beam may comprise means for communicating to the interior space the external pressure applied to the insulating material.
  • at least one orifice is made in said tube to put the internal space in communication with the outside of the bundle of pipes.
  • a heating system can be arranged in the interior space.
  • the heat conducting material may be confined in said interior space.
  • the pipe bundle according to the invention makes it possible to make the pipes thermally rigid, which makes it possible to greatly increase, or even to make infinite, the critical cooling time of one of the pipes, in the case where the other part of the pipes remain in production.
  • the internal structure of the bundle of pipes according to the invention is compact and is therefore easier to isolate on the outside.
  • the hydrostatic pressure can be applied inside the bundle of pipes, T / F 2011/000304
  • the structure of the pipe bundle according to the invention allows the relative movements between pipes due to the thermal gradient, which prevents deformation of the pipe bundle.
  • FIG. 1 represents a diagram of exploitation of a petroleum field
  • FIG. 2 represents a sectional view of a bundle of pipes according to the invention
  • FIGS. 3, 4 and 5 schematize various pipe bundle structures according to the invention
  • FIG. 6 schematizes an embodiment of the invention
  • FIG. 7 shows an isolated conduit
  • an underwater oil field is operated by three wells, the wellheads of which are referenced A, B and C.
  • the wells are respectively extended by three AC, CB and CC conduits that meet and are joined together. to form a bundle of pipes PB1, PB2.
  • the pipe bundle is used to connect the AC, CB and CC pipes to the floating support SF located on the sea surface.
  • the beam comprises a first portion PB1 resting on the seabed and a second PB2 which passes through the edge of the sea. water between the bottom and the sea.
  • the first part PB1 commonly called “flow line” may have a length of several tens of kilometers, while the second part PB2, commonly called “riser”, may have a shorter length that may vary between 1000 and 4000 meters.
  • a section of the pipe bundle PB1-PB2 of Figure 1 is shown schematically in Figure 2.
  • the bundle of pipes comprises the pipes 1, 2 and 3 that are gathered in the same set.
  • Each of the pipes 1, 2 and 3 consists of a metal tube, for example steel, the thickness of which is determined to withstand in particular resistance to the internal pressure and possibly to the external pressure.
  • the pipes 1, 2 and 3 are surrounded by a layer of insulating material 4 to limit the cooling of the fluids contained in the pipes.
  • the layer of insulating material 4 has the shape of a tube, the pipes 1, 2 and 3 being arranged in the tube of insulating material 4.
  • the section of the tube 4 may be of different shape, for example circular as shown by Figure 3, rectangular as shown in Figure 4, to optimize the interior space according to the number and size of pipes.
  • the rectangular section of the tube 4 is well adapted to contain four pipes.
  • the circular section of the tube 4 is well adapted to contain three pipes.
  • the insulating material tube 4 forms a thermally insulated inner space with respect to the outside of the bundle of pipes.
  • the coefficient of thermal conductivity of the insulating material 4 is less than 0.3 W / (mK), preferably less than 0.25 W7 (mK), or even less than 0.2 W / (mK).
  • An excellent insulating material 4 has a thermal conductivity coefficient of less than 0.15 VW (mK).
  • the insulating material 4 may be a polymeric foam, for example a polypropylene, a polyurethane, a polymeric syntactic foam such as a polypropylene, a polyurethane or an epoxide, comprising glass beads, an elastomer such as rubber, or a gel consisting of a mixture of Kraton and iso-paraffin, kerosene and iso-polyurethane, or a silicone elastomer with a silicone oil.
  • the tube 4 of insulating material can be extruded.
  • the tube 4 can be made in the form of sectors (for example as shown diagrammatically in FIGS.
  • the tube 4 of insulating material is composed of four portions 4a, 4b, 4c and 4d which are assembled by the systems 10a, 10b, 10c and 10d.
  • the tube 4 is composed of the two half-shells 4e and 4f assembled by the systems 0e and 10f.
  • the outer surface of the layer of insulating material 4 may be covered by an additional layer 5 which makes it possible to protect the layer 4 with respect to mechanical aggression by impact, nicks, or chemical aggression by salt water, ultraviolet rays, or to ensure the sealing of layer 4 if it is sensitive to water.
  • the layer 5 is of deformable polymer material, such as polyethylene, high density polyethylene, polyurethane.
  • thermal exchanges between the beam ducts are favored to allow heat exchanges between the ducts.
  • the pipes 1, 2 and 3 are in contact with a heat-conducting material 6.
  • the material 6 partially or totally fills the confined space defined inside the layer of insulating material 4.
  • the pipes 1, 2 and 3 can exchange heat via the heat-conducting material 6 and to homogenize the temperature between the pipes. Nevertheless, the driving beam remains isolated: the heat remains confined in the thermally insulated space by the layer 4.
  • the material 6 because of the material 6, the other pipes in production yield heat to the pipe in stop and thus avoid too much cooling.
  • the material 6 is confined in the interior space of the layer of insulating material 4, that is to say that the material 6 is static and is maintained in the interior space of the layer of insulating material 4, without being renewed .
  • the space defined inside the layer of insulating material 4 is closed, or even sealed, to hold the material 6 inside this space.
  • the heat-conducting material 6 has a coefficient of thermal conductivity greater than that of the insulating material of the layer 4.
  • the material 6 has a coefficient of thermal conductivity greater than 0.5 W / (mK) .
  • the heat-conducting material 6 may be a liquid, such as water, seawater, water with an anti-corrosion additive.
  • the heat conducting material 6 may be a solid such as a polymer such as polypropylene, polyurethane, rubber, optionally comprising heat-conducting charges, for example oxides of iron or aluminum, a gel optionally comprising heat-conducting charges or carbon.
  • the material 6 is liquid, under the conditions of use of the driving beam, for example between 5 ° C and 150 ° C and at a relative pressure ranging between 0 and 100 MPa.
  • a pipe may be in contact with one or more pipes of the pipe bundle. Having the pipes close to each other also provides an internal structure of the pipe bundle which is compact, which is easier to isolate by the layer 4.
  • the shape of the layer 4 can also be optimized to promote compactness.
  • the driving beam according to the invention may not comprise an envelope 7, in this case the insulating layer 4 is juxtaposed with the conductive material 6.
  • the material 6 may be surrounded by a layer 7 which makes it possible to mechanically reinforce, envelop and protect the material 6.
  • the layer 7 forms a tube, the material 6 being contained in the tube 7.
  • the layer 7 can also be used to confine the material 6 in the axis of the beam as shown in Figure 5 which shows schematically an axial section of a bundle of pipes.
  • the insulating material 6 is contained in pockets formed by the envelope 7, in order to limit or eliminate the convection of the material 6 in this direction, or, in the event of local loss of the material 6, to limit the affected area.
  • the envelope 7 is a deformable polymeric material, such as polyethylene, high density polyethylene, polyurethane.
  • the material 6 is subjected to the forces due to the external pressure applied to the driving beam.
  • the envelope 7 may be a rigid material, for example a metal (steel, aluminum).
  • the casing 7 supports the forces due to the external pressure applied to the pipe bundle and the material 6 does not support the external pressure.
  • the position of the pipes relative to the layer of insulating material 4 can be fixed by centering devices, commonly called “spacer”, which are arranged regularly along the tube bundle. These "spacers" may also be adapted to confine the material 6 in the beam axis, in order to limit or eliminate the convection of the material 6 in this direction, or, in the event of local loss of the material 6, to limit the affected area .
  • the "spacers” form partitions that extend in the radial direction relative to the axis of the pipe.
  • the material 6 is held in several segments of annular spaces located inside the tube 4, each section being delimited at its ends by two partitions formed by two "spacers".
  • the distance separating two contiguous partitions may be between 1 m and 50 m, especially in the case where the bundle of pipes is deposited on a flat ground.
  • the distance separating two contiguous partitions may be between 1 m and 5 m, particularly in the case where the pipe bundle is deposited on a sloping ground.
  • the pipes can be linked mechanically with each other, for example with rings crimped around them, or by "spacers".
  • this link must remain flexible enough to allow the relative movements between pipes, in particular that due to the thermal gradient.
  • the space situated inside the tubular layer 4 can communicate with the outside of the bundle via an orifice 8, for example a slot or a hole made through the layer 4.
  • an orifice 8 may be distributed along the pipe. These orifices make it possible to allow the pressure, in particular the hydrostatic pressure imposed on the outside of the bundle of pipes, to be applied on the internal surface of the insulating material 4.
  • the insulating layer 4 does not transmit any pressure on the surface. outside the pipe bundle and, therefore, the pipe bundle according to the invention may comprise a large layer of insulation layer 4.
  • the orifices 8 can bring into contact the l interface between the envelope 7 and the layer 4 with the medium outside the bundle of pipes.
  • the bundle of pipes does not contain 2011/000304
  • the orifices 8 allow to put the material 6 in contact with the medium outside the tube bundle.
  • the number and size of the orifices 8 are reduced so as to limit the flow rates of fluid and heat exchange between the inside and the outside of the layer 4 to negligible values.
  • the driving beam according to the invention may also comprise an active heating system, for example by electrical resistance.
  • the active heater 9a can be embedded in the material 6 to heat the material 6 which transmits the heat to the pipes 1 to 3 thanks to its thermal conduction properties.
  • the active heater 9b is disposed on the outer surface of the pipe 1 to specifically heat the pipe 1, the material 6 then distributes the heat to the other pipes 2 and 3.
  • the pipes are taken in an insulating envelope of circular tubular shape of internal diameter Denv and heat exchange coefficient Uenv.
  • the space between the three ducts and the envelope is occupied by a heat conducting material according to the invention.
  • the pipe bundle extends for a length of 10 km, and carries a production oil flow of 4,000 barrels / day in each of the three lines.
  • the temperature of the oil at the outlet of the well is 70 ° C. and the temperature of the water surrounding the bundle of pipes is 4 ° C.
  • the heat exchange coefficients Uenv and Urev are expressed in W / (m 2 K) and are calculated per unit of the internal surface of the insulator (this corresponds respectively to the diameter Denv and OD).
  • the paraffin formation temperature is 40 ° C and the hydrate formation temperature is 20 ° C.
  • the Uenv coefficients of the bundle and Urev of the isolated pipes are calculated to have a minimum temperature in normal service higher than 40 ° C (no formation of paraffins) and a critical cooling time, at 20 ° C in case of stopping at least 24 hours (no hydrate formation before 24 hours off).
  • the pipes In production, the pipes have the same flow rate and the same temperature at the inlet of the pipe bundle: 4000 barrels / day and 70 ° C.
  • Uenv (beam) is 1.9 W / (m 2 .K), which corresponds to an oil temperature of 41.1 ° C at the exit of the beam (i.e. say after having traveled the 10km of the pipe bundle).
  • Urev isolated pipes
  • m 2 .K oil temperature
  • the pipes 2 and 3 always have a flow rate of 4000 barrels / day, against the pipe 1 has a zero flow.
  • the pipe 3 always has a flow rate of 4000 barrels / day, against the lines 2 and 3 have a zero flow.
  • the bundle of pipes according to the invention provides additional advantages. Even if the insulation of the pipe bundle is dimensioned to stop all pipes, it may happen that only one or two pipes are stopped. In this case, their temperature can not fall below 20 ° C and the operator has no time constraint to restart. In the case of separate pipes, even stopping a single line requires a restart within 24 hours.

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Abstract

Le faisceau de conduites comporte plusieurs conduites (1), (2) et (3) entourées d'une couche en matériau isolant (4). Les échanges thermiques entre les conduites sont favorisés par la présence d'un matériau conducteur 6 en contact avec les conduites afin de permettre le transfert de chaleur d'une conduite en production vers une conduite en arrêt de production et limiter le refroidissement du fluide dans la conduite en arrêt, tout en autorisant les mouvements relatifs entre conduites dû au gradient thermique.

Description

FAISCEAU DE CONDUITES PÉTROLIÈRES À PERFORMANCE THERMIQUE AMÉLIORÉE
La présente invention a trait au domaine des faisceaux de conduites mises en œuvre pour l'exploitation pétrolière de gisement en mer très profonde.
L'invention s'applique à l'exploitation de champs pétroliers en mer profonde, c'est-à-dire des installations pétrolières installées en pleine mer, dans lesquelles les équipements de surface sont en général situés sur des structures flottantes, les têtes de puits étant au fond de la mer. Les développements de gisement pétrolier en mer profonde sont effectués par des profondeurs d'eau atteignant actuellement 1500 m. Les développements futurs sont envisagés par des profondeurs d'eau jusqu'à 3000 m et au delà. Un champ sous-marin est souvent constitué de champs secondaires qui peuvent être éloignés les uns des autres, mais trop petits pour justifier une installation de surface pour chacun. Les lignes de production d'un champ secondaire sont alors regroupées et amenées jusqu'aux équipements de surface, et éventuellement jusqu'à des installations à terre, sur des distances pouvant dépasser plusieurs dizaines de kilomètres. En général, les conduites sont rassemblées soit en une conduite unique de plus gros diamètre, soit en un faisceau de conduites si les fluides ne peuvent pas être mélangés. L'organisation en faisceau de conduites permet d'améliorer l'isolation thermique des conduites et de limiter l'encombrement du champ, en particulier pour traverser la tranche d'eau entre le fond et la surface de la mer. Les faisceaux de conduites sont couramment nommés "pipe bundle".
Les produits pétroliers transportés par conduite dans la mer sont soumis à un refroidissement sous l'effet de la température de l'eau environnante, surtout à grande profondeur, où elle est aux alentours de 4°C. Un trop grand refroidissement serait problématique aussi bien en régime de production normale qu'en cas d'arrêt de production. En effet dans ce type d'applications, de nombreux problèmes se posent si la température des produits pétroliers diminue d'une valeur significative par rapport à leur température de production qui est souvent au-delà de 60°C à 80°C. Si les produits pétroliers se refroidissent par exemple en dessous de 40°C pour une température initiale de 70°C à 150°C, on observe, suivant la nature du fluide transporté :
- une forte augmentation de la viscosité du produit pétrolier qui diminue le débit dans la conduite,
- une précipitation de paraffine dissoute qui augmente la viscosité du produit et dont le dépôt peut diminuer le diamètre intérieur utile de la conduite,
- la floculation des asphaltènes induisant les mêmes problèmes.
Si la température des produits pétroliers descend par exemple en dessous de 20°C, tout en restant à haute pression (notamment à la suite d'un arrêt de production planifié ou non), il peut y avoir une formation soudaine, compacte et massive, d'hydrates de gaz, obstruant ainsi brusquement la conduite.
Paraffines et asphaltènes restent accrochés à la paroi et nécessitent alors un nettoyage par raclage de l'intérieur de la conduite. Les bouchons d'hydrates sont plus difficiles, voire même parfois impossibles à éliminer.
Pour éviter ou limiter le refroidissement, les "pipe bundle" sont souvent pourvus d'un dispositif d'isolation thermique passif, éventuellement complété par un chauffage actif. L'isolation thermique de telles conduites a donc pour fonction de retarder le refroidissement des effluents pétroliers véhiculés non seulement en régime de production établi, pour que leur température soit par exemple d'au moins 40°C en arrivant en surface, pour une température de production à l'entrée de la conduite de 70°C à 80°C, mais également en cas de diminution ou même d'arrêt de la production, afin d'éviter que la température des effluents ne descende par exemple en dessous de 20°C ou 30°C, afin de limiter les problèmes mentionnés ci-dessus, ou tout au moins de permettre de les rendre réversibles. On peut ainsi définir une durée de refroidissement critique, au-delà de laquelle, le fluide atteint la température de formation des hydrates de gaz (par exemple 20°C) lors d'un arrêt de production. Dans certains cas, et notamment lorsque la durée des opérations de maintenance ou de réparation nécessaires ou redémarrage de la production est trop importante, on peut être amené à remplacer les effluents par une "huile morte", couramment nommée "dead oil displacement", non susceptible de former des hydrates. La substitution de l'effluent par une "huile morte" nécessite de disposer classiquement d'une boucle de production et d'installations de pompage.
La réalisation d'un bundle doit également permettre un certain mouvement relatif des conduites, de façon à ce que les différences de chargement thermique entre conduites ne se traduisent pas par des chargements mécaniques trop importants.
Le document WO 00/40886 décrit un matériau d'isolation à changement de phase solide-liquide et chaleur latente de fusion, capable de restituer des calories à la conduite interne afin de limiter le refroidissement du fluide dans les conduites.
Dans la pratique courante, comme indiqué dans le document "Pipe bundle - a smart solution for infield transportation" de R.Song et al., Proceedings of the ASME 2009 28th International Conférence on Océan, Offshore and Arctic Engineering OMAE2009, la présence du matériau isolant au sein du bundle implique de plus, que lors d'un arrêt de production d'une des conduites, la quantité de chaleur transmise par les autres conduites encore en fonctionnement, est très réduite.
La présente invention décrit une structure d'un faisceau de conduites qui propose de favoriser l'échange thermique entre les conduites afin de permettre le transfert de chaleur d'une conduite en production vers une conduite en arrêt de production et limiter le refroidissement du fluide dans la conduite en arrêt.
De manière générale, la présente invention concerne un faisceau de conduites pour le transport d'hydrocarbures en mer, comportant un tube en matériau isolant ayant un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,3 W/(m.K), ledit tube formant un espace intérieur, au moins deux conduites étant disposées dans l'espace intérieur. Le faisceau de conduite est caractérisé en ce que l'espace intérieur comporte en outre un matériau conducteur de chaleur en contact avec lesdites au moins deux conduites, le matériau conducteur ayant un coefficient de conductivité thermique supérieur à 0,5 W/(m.K).
Selon l'invention, le matériau conducteur de chaleur peut être un liquide. Alternativement, le matériau conducteur peut être choisi parmi des matériaux polymères comportant une charge métallique.
Le matériau isolant peut être choisi parmi une mousse polymère, une mousse syntactique polymère, un élastomère.
Les deux conduites peuvent être en contact.
Le matériau isolant peut être contenu dans une enveloppe.
L'enveloppe peut former une paroi tubulaire disposée entre le tube en matériau isolant et le matériau conducteur de chaleur.
L'enveloppe peut former au moins une enceinte fermée contenant le matériau conducteur, l'enceinte étant en contact avec les deux conduites.
Le faisceau peut comporter un moyen pour communiquer à l'espace intérieur la pression externe appliquée au matériau isolant. Par exemple, au moins un orifice est pratiqué dans ledit tube pour mettre l'espace intérieur en communication avec l'extérieur du faisceau de conduites.
Un système de chauffage peut être disposé dans l'espace intérieur.
Le matériau conducteur de chaleur peut être confiné dans ledit espace intérieur.
Le faisceau de conduites selon l'invention permet de rendre thermiquement solidaires les conduites, ce qui permet d'augmenter largement, voire de rendre infini, la durée de refroidissement critique d'une des conduites, dans le cas où l'autre partie des conduites restent en production.
De plus la structure interne du faisceau de conduites selon l'invention est compacte est donc plus facile à isoler à l'extérieur.
Par ailleurs, lorsque le faisceau de conduites est immergé dans la mer, la pression hydrostatique peut s'appliquer à l'intérieur du faisceau de conduites, ce T/F 2011/000304
5 qui permet de rendre la pression appliquée sur les conduites indépendantes de l'isolation et donc d'utiliser de grandes épaisseurs d'isolant.
En outre, la structure du faisceau de conduites selon l'invention autorise les mouvements relatifs entre conduites dus au gradient thermique, ce qui évite des déformations du faisceau de conduites.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront clairement à la lecture de la description faite ci-après en se référant aux dessins parmi lesquels :
- la figure 1 représente un schéma d'exploitation d'un champ pétrolier,
- la figure 2 représente une vue en coupe d'un faisceau de conduites selon l'invention,
- les figures 3, 4 et 5 schématisent différentes structures de faisceau de conduites selon l'invention,
- la figure 6 schématise un mode de réalisation de l'invention,
La figure 7 représente une conduite isolée.
En référence à la figure 1 , un champ pétrolier sous-marin est exploité par trois puits dont les têtes de puits sont référencées A, B et C. Les puits sont respectivement prolongés par trois conduites CA, CB et CC qui se rejoignent et sont rassemblées pour former un faisceau de conduites PB1 , PB2. Le faisceau de conduites permet de raccorder les conduites CA, CB et CC jusqu'au support flottant SF situé à la surface de la mer. Le faisceau comporte une première partie PB1 reposant sur le fond marin et une deuxième PB2 qui traverse la tranche d'eau entre le fond et la mer. La première partie PB1 couramment nommée "flow line" peut avoir une longueur de plusieurs dizaines de kilomètre, tandis que la deuxième partie PB2, couramment nommée "riser", peut avoir une longueur plus faible pouvant varier entre 1000 et 4000 mètres.
Une coupe du faisceau de conduites PB1-PB2 de la figure 1 est schématisée par la figure 2. Le faisceau de conduites comporte les conduites 1 , 2 et 3 qui sont rassemblées dans un même ensemble. Chacune des conduites 1 , 2 et 3 consiste en un tube métallique par exemple de l'acier, dont l'épaisseur est déterminée pour résister notamment à la tenue à la pression interne et, éventuellement, à la pression externe. Les conduites 1 , 2 et 3 sont entourées par une couche de matériau isolant 4 pour limiter le refroidissement des fluides contenus dans les conduites. Par exemple la couche de matériau isolant 4 a la forme d'un tube, les conduites 1 , 2 et 3 étant disposées dans le tube de matériau isolant 4. La section du tube 4 peut être de différente forme, par exemple circulaire telle que représentée par la figure 3, rectangulaire telle que représentée par la figure 4, afin d'optimiser l'espace intérieur en fonction du nombre et de la taille des conduites. En référence à la figure 3, la section rectangulaire du tube 4 est bien adaptée pour contenir quatre conduites. En référence à la figure 4, la section circulaire du tube 4 est bien adaptée pour contenir trois conduites. Le tube de matériau isolant 4 forme un espace intérieur thermiquement isolé par rapport à l'extérieur du faisceau de conduites. De préférence, le coefficient de conductivité thermique du matériau isolant 4 est inférieur à 0,3 W/(m.K), de préférence inférieur à 0,25 W7(m.K), voire inférieur à 0,2 W/(m.K). Un excellent matériau isolant 4 présente un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,15 VW(m.K). Par exemple, le matériau isolant 4 peut être une mousse polymère, par exemple un polypropylène, un polyuréthane, une mousse syntactique polymère telle qu'un polypropylène, un polyuréthane ou une époxyde, comportant des billes de verre, un élastomère tel que le caoutchouc, ou un gel constitué d'un mélange de Kraton et d'iso-paraffine, de Kérosène et d'iso-polyuréthane, ou un élastomère silicone avec une huile silicone. Le tube 4 en matériau isolant peut être extrudé. Alternativement, le tube 4 peut être réalisé sous forme de secteurs (par exemple tel que schématisé sur les figures 3 et 4) qui sont assemblés, par exemple par un système vis-écrou, pour former un tube. En référence à la figure 3, le tube 4 en matériau isolant est composé de quatre portions 4a, 4b, 4c et 4d qui sont assemblées par les systèmes 10a, 10b, 10c et 10d. En référence à la figure 4, le tube 4 est composé des deux demi-coquilles 4e et 4f assemblées par les systèmes 0e et 10f. En référence à la figure 1 , la surface extérieure de la couche de matériau isolant 4 peut être recouverte par une couche 5 supplémentaire qui permet de protéger la couche 4 par rapport à des agressions mécaniques par chocs, entailles, ou d'agression chimique par l'eau salée, les rayons ultraviolets, ou encore d'assurer l'étanchéité de la couche 4 si celle-ci est sensible à l'eau. Par exemple, la couche 5 est en matériau polymère déformable, comme du polyéthylène, du polyéthylène haute densité, du polyuréthane.
Selon l'invention, on favorise les échanges thermiques entre les conduites du faisceau pour permettre les échanges de chaleur entre les conduites. Selon l'invention, les conduites 1 , 2 et 3 sont en contact avec un matériau 6 conducteur de chaleur. Le matériau 6 remplit en partie, voire totalement, l'espace confiné défini à l'intérieur de la couche de matériau isolant 4. Les conduites 1 , 2 et 3 peuvent échanger de la chaleur par l'intermédiaire du matériau conducteur de chaleur 6 et donc d'homogénéiser la température entre les conduites. Néanmoins, le faisceau de conduite reste isolé : la chaleur reste confinée dans l'espace isolé thermiquement par la couche 4. Ainsi, dans le cas d'arrêt de production dans l'une des conduites, le fluide immobile dans la conduite risque de se refroidir. Par contre, du fait du matériau 6, les autres conduites en production cèdent de la chaleur à la conduite en arrêt et évite ainsi un trop grand refroidissement. Le matériau 6 est confiné dans l'espace intérieur de la couche de matériau isolant 4, c'est-à-dire que le matériau 6 est statique et est maintenu dans l'espace intérieur de la couche de matériau isolant 4, sans être renouvelé. L'espace défini à l'intérieur de la couche de matériau isolant 4 est fermé, voire étanche, pour maintenir le matériau 6 à l'intérieur de cet espace.
Selon l'invention, le matériau conducteur de chaleur 6 présente un coefficient de conductivité thermique supérieur à celui du matériau isolant de la couche 4. Par exemple, le matériau 6 a un coefficient de conductivité thermique supérieur à 0,5 W/(m.K). Par exemple, le matériau conducteur de chaleur 6 peut être un liquide, comme de l'eau, de l'eau de mer, de l'eau avec un additif anti- corrosion. Alternativement, le matériau conducteur de chaleur 6 peut-être un solide comme un polymère tel qu'un polypropylène, un polyuréthane, un caoutchouc, comportant éventuellement des charges conductrices de chaleur, par exemple des oxydes de fer ou d'aluminium, un gel comportant éventuellement des charges conductrices de chaleur ou du carbone. De préférence, le matériau 6 est liquide, dans les conditions d'utilisation du faisceau de conduite, par exemple entre 5°C et 150°C et à une pression relative variant entre 0 et 100 MPa.
Pour augmenter l'échange de chaleur entre les conduites 1 , 2 et 3, elles peuvent être en contact les unes avec les autres. Par exemple, une conduite peut être en contact avec une ou plusieurs conduites du faisceau de tube. Le fait de disposer les conduites proches les unes des autres permet également une structure interne du faisceau de conduites qui est compacte, qui est plus facile à isoler par la couche 4. La forme de la couche 4 peut également être optimisée pour favoriser la compacité.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le faisceau de conduite selon l'invention peut ne pas comporter d'enveloppe 7, dans ce cas la couche d'isolant 4 est juxtaposée au matériau conducteur 6.
Alternativement, le matériau 6 peut être entouré par une couche 7 qui permet de renforcer mécaniquement, d'envelopper et de protéger le matériau 6. En référence à la figure 1 , la couche 7 forme un tube, le matériau 6 étant contenu dans le tube 7. La couche 7 peut également être utilisée pour confiner le matériau 6 dans l'axe du faisceau comme représenté sur la figure 5 qui schématise une coupe axiale d'un faisceau de conduites. Le matériau isolant 6 est contenu dans des poches formée par l'enveloppe 7, afin de limiter ou supprimer la convection du matériau 6 dans cette direction, ou, en cas de perte locale du matériau 6, de limiter la zone affectée. Par exemple, l'enveloppe 7 est un matériau polymère déformable, comme du polyéthylène, du polyéthylène haute densité, du polyuréthane. Dans ce cas, le matériau 6 est soumis aux efforts dus à la pression externe appliquée au faisceau de conduite. Alternativement, l'enveloppe 7 peut être un matériau rigide, par exemple un métal (acier, aluminium). Dans ce cas l'enveloppe 7 supporte les efforts dus à la pression externe appliquée au faisceau de conduites et le matériau 6 ne supporte pas la pression externe. La position des conduites par rapport à la couche de matériau isolant 4 peut être fixée par des dispositifs de centrage, couramment appelés "spacer", qui sont disposés régulièrement le long du faisceau de tube. Ces "spacers" peuvent également être adaptés pour confiner le matériau 6 dans l'axe du faisceau, afin de limiter ou supprimer la convection du matériau 6 dans cette direction, ou, en cas de perte locale du matériau 6, de limiter la zone affectée. Par exemples les "spacers" forment des cloisons qui s'étendent dans la direction radiale par rapport à l'axe de la conduite. Ainsi le matériau 6 est maintenu dans plusieurs tronçons d'espaces annulaires situés à l'intérieur du tube 4, chaque tronçon étant délimité à ses extrémités par deux cloisons formées par deux "spacers". La distance séparant deux cloisons contigues peut être comprise entre 1 m et 50 m, notamment dans le cas où le faisceau de conduites est déposé sur un terrain plat. De préférence, la distance séparant deux cloisons contigùes peut être comprise entre 1 m et 5 m, notamment dans le cas où le faisceau de conduites est déposé sur un terrain en pente.
Les conduites peuvent être liées mécaniquement entre elles, par exemple avec des bagues serties autour d'elles, ou par les "spacers". Cependant ce lien doit rester suffisamment souple pour autoriser les mouvements relatifs entre conduites, notamment celui dû au gradient thermique.
Selon l'invention, en référence à la figure 1 , l'espace situé à l'intérieur de la couche tubulaire 4 peut communiquer avec l'extérieur du faisceau par un orifice 8, par exemple une fente ou un perçage pratiqué à travers la couche 4. Plusieurs orifices 8 peuvent être répartis le long de la conduite. Ces orifices permettent de laisser la pression, en particulier la pression hydrostatique imposée à l'extérieur du faisceau de conduites, s'appliquer sur la surface interne du matériau isolant 4. Ainsi, la couche d'isolant 4 ne transmet aucune pression sur la surface extérieure du faisceau de conduites et, donc, le faisceau de conduites selon l'invention peut comporter une grande épaisseur d'isolant couche 4. Dans le cas où le faisceau de conduites comporte une enveloppe 7, les orifices 8 permettent de mettre en contact l'interface entre l'enveloppe 7 et la couche 4 avec le milieu extérieur au faisceau de conduites. Dans le cas où le faisceau de conduites ne comporte pas 2011/000304
10 d'enveloppe 7, les orifices 8 permettent de mettre en contact le matériau 6 avec le milieu extérieur au faisceau de tube. Le nombre et la dimension des orifices 8 sont réduits de manière à limiter les débits de fluides et des échanges thermiques entre l'intérieur et l'extérieur de la couche 4 à des valeurs négligeables.
Le faisceau de conduite selon l'invention peut également comporter un système de chauffage actif, par exemple par résistance électrique. Le chauffage actif 9a peut être noyé dans le matériau 6 pour réchauffer le matériau 6 qui transmet la chaleur aux conduites 1 à 3 grâce à ses propriétés de conduction thermique. Alternativement, le chauffage actif 9b est disposé sur la surface extérieure de la conduite 1 pour chauffer spécifiquement la conduite 1 , le matériau 6 distribue ensuite la chaleur aux autres conduites 2 et 3.
Les exemples présentés ci-après, en référence à la figure 3, permettent d'illustrer le fonctionnement et les avantages d'un faisceau de conduites selon l'invention.
Le faisceau de conduite de la figure 6 est composé de trois conduites 1 , 2 et 3 de diamètre externe OD = 6" (c'est-à-dire 0,1683 m). Les conduites 6" ont une épaisseur de 10 mm soit une pression de collapse de 490 bars pour un acier X65 (selon la norme DNV OS-F101 ). Les conduites sont prises dans une enveloppe isolante de forme tubulaire circulaire de diamètre interne Denv et de coefficient d'échange thermique Uenv. L'espace entre les trois conduites et l'enveloppe est occupé par un matériau conducteur de chaleur selon l'invention.
Le faisceau de conduites s'étend sur une longueur de 10 km, et transporte un débit d'huile en production de 4 000 barils/jours dans chacune des trois conduites. La température de l'huile en sortie de puits est de 70°C et la température de l'eau environnant le faisceau de conduites est de 4°C. Les caractéristiques de l'huile sont une masse volumique de p=850 kg/m3 et une capacité calorifique Cp=2000 J/(kg.K).
En comparaison au faisceau de conduites décrit ci-dessus, on considère trois conduites, dont une conduite est représentée par la figure 7, munies chacune d'un revêtement isolant distinct caractérisé par un coefficient d'échange thermique Urev.
Les coefficients d'échange thermiques Uenv et Urev sont exprimés en W/(m2K) et sont calculés par unité de la surface interne de l'isolant (celle-ci correspond respectivement au diamètre Denv et OD).
La température de formation des paraffines est de 40°C et la température de formation des hydrates est de 20°C. Les coefficients Uenv du faisceau et Urev des conduites isolées sont calculés pour avoir une température minimale en service normal supérieure à 40°C (pas de formation de paraffines) et un temps de refroidissement critique, à 20°C en cas d'arrêt d'au moins 24 heures (pas de formation d'hydrates avant 24 heures d'arrêt).
On s'intéresse dans la suite à plusieurs situations opérationnelles de la vie du bundle : la production, puis l'arrêt d'une ou plusieurs lignes. Les résultats de calcul présentés correspondent à une hypothèse ou les échanges thermiques au sein du matériau 6 sont très rapides par rapport aux phénomènes de conduction dans le reste du bundle. Ils sont comparés au cas de conduites indépendantes.
Production
En production, les conduites ont le même débit et la même température à l'entrée du faisceau de conduites : 4000 barils/j et 70°C.
La valeur maximale de Uenv (faisceau) est de 1 ,9 W/(m2.K), ce qui correspond à une température de l'huile de 41 ,1 °C à la sortie du faisceau (c'est-à- dire après avoir parcouru les 10km du faisceau de conduites).
La valeur maximale de Urev (conduites isolées) est de 1 ,6 W/(m2.K) , ce qui correspond à une température de l'huile de 40,4°C à la sortie des conduites (c'est-à-dire après avoir parcouru les 10km dans les conduites isolées).
L'utilisation du faisceau de conduites selon l'invention permet d'améliorer la performance thermique en régime permanent car il implique une augmentation d'environ 20% du coefficient d'échange thermique. Ce coefficient caractérise les performances d'isolation. Ainsi le gain de,,20% permet d'utiliser des isolants plus 00304
12 simples à mettre en œuvre et bon marché. Cela est dû à la meilleure compacité de l'ensemble des conduites rassemblées en un faisceau qui a une surface d'échange thermique plus faible que trois lignes séparées. Arrêt de production dans la conduite 1 du faisceau de conduites
Les conduites 2 et 3 ont toujours un débit de 4000 barils/jour, par contre la conduite 1 a un débit nul.
Pour un coefficient Uenv de 1 ,9 W/(m2.K), l'équilibre des températures est atteint au bout de 10h. La température minimale atteinte dans les conduites descend à 32°C, et reste donc toujours supérieure au minimum de formation des hydrates qui est de 20°C. Le temps de refroidissement critique est donc infini.
Arrêt de production dans les conduites 1 et 2 du faisceau de conduites
La conduite 3 a toujours un débit de 4000 barils/jour, par contre les conduites 2 et 3 ont un débit nul.
Pour un coefficient Uenv de 1 ,9 W/(m2.K), l'équilibre des températures est atteint au bout de 20h environ. La température minimale atteinte dans les conduites descend à 16°C. La température seuil de 20°C est atteinte au bout de 14h, ce qui est inférieur aux 24h spécifiées.
Pour respecter la contrainte d'une température minimale de 20°C, il faut réduire la valeur de Uenv à 1 ,5 W/(m2.K). Dans ce cas la température d'équilibre atteinte dans les conduites du faisceau au bout de 20h est de 21 °C, et reste donc supérieure au minimum de formation des hydrates qui est de 20°C. Le temps de refroidissement critique est donc infini.
Arrêt de productions des conduites 1, 2 et 3 du faisceau de conduites
Les conduites n'ayant plus d'apport de chaleur, leur température d'équilibre est la température extérieure soit 4°C sur toute leur longueur.
Pour un coefficient Uenv de 1 ,5 W/(m2.K), le "cool down time" est de 12h. Pour obtenir un "cool down time" de 24h comme spécifié, il faut réduire la valeur de Uenv à 1 ,0 W/(m2.K)
Arrêt de production dans les conduites séparées
En cas d'arrêt de production, étant donné que chacune des conduites est thermiquement indépendante des autres conduites, la conduite n'a plus d'apport de chaleur, sa température d'équilibre est la température extérieure, c'est-à-dire 4°C sur toute sa longueur.
Avec un coefficient Urev de 1 ,6 W/(m2.K), le "cool down time" est de 8h. Pour obtenir un "cool down time" de 24h comme spécifié, il faut utiliser une isolation thermique ayant un coefficient Urev de 0,8 W/(m2.K).
Les exemples comparatifs montrent clairement les gains en terme d'isolation apportés par le faisceau de conduites selon l'invention.
En plus des gains sur l'isolation, le faisceau de conduites selon l'invention procure des avantages supplémentaires. Même si l'isolation du faisceau de conduites est dimensionnée pour un arrêt de toutes les conduites, il peut arriver que seulement une ou deux conduites soient à l'arrêt. Dans ce cas, leur température ne peut pas descendre en dessous de 20°C et l'opérateur n'a pas de contrainte de temps pour redémarrer. Dans le cas de conduites séparées, même l'arrêt d'une seule ligne impose un redémarrage dans les 24 heures.

Claims

14
REVENDICATIONS
1) Faisceau de conduites pour le transport d'hydrocarbures en mer, comportant un tube en matériau isolant ayant un coefficient de conductivité thermique inférieur à 0,3 W/(m.K), ledit tube formant un espace intérieur, au moins deux conduites étant disposées dans l'espace intérieur, caractérisé en ce que l'espace intérieur comporte en outre un matériau conducteur de chaleur en contact avec lesdites au moins deux conduites, le matériau conducteur ayant un coefficient de conductivité thermique supérieur à 0,5 W/(m.K).
2) Faisceau de conduites selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau conducteur de chaleur est un liquide.
3) Faisceau de conduites selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau conducteur est choisi parmi des matériaux polymères comportant une charge métallique. 4) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau isolant est choisi parmi une mousse polymère, une mousse syntactique polymère, un élastomère.
5) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux conduites sont en contact.
6) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau isolant est contenu dans une enveloppe. 7) Faisceau de conduites selon la revendication 6, dans lequel l'enveloppe forme une paroi tubulaire disposée entre le tube en matériau isolant et le matériau conducteur de chaleur. 8) Faisceau de conduites selon la revendication 6, dans lequel l'enveloppe forme au moins une enceinte fermée contenant le matériau conducteur, l'enceinte étant en contact avec les deux conduites.
9) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le faisceau comporte un moyen pour communiquer à l'espace intérieur la pression externe appliquée au matériau isolant.
10) Faisceau de conduites selon la revendication 9, caractérisé en ce ledit moyen comporte au moins un orifice pratiqué dans ledit tube pour mettre l'espace intérieur en communication avec l'extérieur du faisceau de conduites.
11) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un système de chauffage est disposé dans l'espace intérieur. 12) Faisceau de conduites selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau conducteur de chaleur est confiné dans ledit espace intérieur.
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