CA2676001C - Installation de conduite montante flexible de transport d'hydrocarbures - Google Patents
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Abstract
Dans cette installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible (10) de type non lié, la conduite (10) est disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique (7', 7'', 44) en tête avec une bouée immergée (8) et d'autre part une connexion mécanique (6', 6'', 6''') en pied avec le fond marin (5), des connexions fluidiques (12, 30) étant prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface (3) et d'autre part avec des équipements de fond (2); le pied de la colonne est à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et la bouée (8) est surdimensionnée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50%, voire 100% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
Description
Installation de conduite montante flexible de transport d'hydrocarbures La présente invention se rapporte à une installation de conduite montante flexible de transport d'hydrocarbures ou d'autres fluides sous haute pression, et à un procédé de réalisation d'une telle installation.
Les conduites flexibles de transport des hydrocarbures, qui io s'opposent aux conduites rigides, sont déjà bien connues, et elles comportent généralement de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite, une carcasse métallique, pour reprendre les efforts radiaux d'écrasement, recouverte d'une gaine d'étanchéité interne en polymère, une voûte de pression pour résister à la pression interne de l'hydrocarbure, des nappes d'armure de traction pour reprendre les efforts de tension axiale et une gaine externe en polymère pour protéger l'ensemble de la conduite et notamment pour empêcher l'eau de mer de pénétrer dans son épaisseur.
La carcasse métallique et la voûte de pression (en anglais pressure vault ) sont constituées d'éléments longitudinaux enroulés à pas court, et 2o elles confèrent à la conduite sa résistance aux efforts radiaux tandis que les nappes d'armure de traction (en anglais tensile armour layers ) sont constituées de fils généralement métalliques enroulés selon des pas longs de façon à reprendre les efforts axiaux. II est à noter que dans la présente demande, la notion d'enroulement à pas court désigne tout enroulement hélicoïdal selon un angle d'hélice proche de 90 , typiquement compris entre 75 et 90 . La notion d'enroulement à pas long recouvre quant à elle les angles d'hélice inférieurs à 55 , typiquement compris entre 25 et 550 pour les nappes d'armure de traction.
Ces conduites sont destinées au transport des hydrocarbures 3o notamment dans les fonds marins et ce, à de grandes profondeurs. Plus précisément elles sont dites de type non lié (en anglais unbonded ) et
Les conduites flexibles de transport des hydrocarbures, qui io s'opposent aux conduites rigides, sont déjà bien connues, et elles comportent généralement de l'intérieur vers l'extérieur de la conduite, une carcasse métallique, pour reprendre les efforts radiaux d'écrasement, recouverte d'une gaine d'étanchéité interne en polymère, une voûte de pression pour résister à la pression interne de l'hydrocarbure, des nappes d'armure de traction pour reprendre les efforts de tension axiale et une gaine externe en polymère pour protéger l'ensemble de la conduite et notamment pour empêcher l'eau de mer de pénétrer dans son épaisseur.
La carcasse métallique et la voûte de pression (en anglais pressure vault ) sont constituées d'éléments longitudinaux enroulés à pas court, et 2o elles confèrent à la conduite sa résistance aux efforts radiaux tandis que les nappes d'armure de traction (en anglais tensile armour layers ) sont constituées de fils généralement métalliques enroulés selon des pas longs de façon à reprendre les efforts axiaux. II est à noter que dans la présente demande, la notion d'enroulement à pas court désigne tout enroulement hélicoïdal selon un angle d'hélice proche de 90 , typiquement compris entre 75 et 90 . La notion d'enroulement à pas long recouvre quant à elle les angles d'hélice inférieurs à 55 , typiquement compris entre 25 et 550 pour les nappes d'armure de traction.
Ces conduites sont destinées au transport des hydrocarbures 3o notamment dans les fonds marins et ce, à de grandes profondeurs. Plus précisément elles sont dites de type non lié (en anglais unbonded ) et
2 elles sont ainsi décrites dans les documents normatifs publiés par l'American Petroleum Institute (API), API 17J et API RP 17B.
Lorsqu'une conduite, quelle que soit sa structure, est soumise à une pression externe qui est plus élevée que la pression interne, il se produit dans la paroi de la conduite des efforts de compression orientés parallèlement à l'axe de la conduite et qui tendent à raccourcir la longueur de la conduite. Ce phénomène porte le nom d'effet de fond inverse ( reverse end cap effect en anglais). L'intensité des efforts de compression axiale est sensiblement proportionnelle à la différence entre to la pression externe et la pression interne. Cette intensité peut atteindre un niveau très élevé dans le cas d'une conduite flexible immergée à grande profondeur, du fait que la pression interne peut, dans certaines conditions, être très inférieure à la pression hydrostatique.
Dans le cas d'une conduite flexible de structure classique, par exemple conforme aux documents normatifs de l'API, l'effet de fond inverse a tendance à induire un effort longitudinal de compression dans les fils constituant les nappes d'armure de traction, et à raccourcir la longueur de la conduite flexible. De plus, la conduite flexible est également soumise à des sollicitations dynamiques de flexion notamment lors de l'installation ou en service dans le cas d'une conduite montante ( riser en langue anglaise), c'est-à-dire d'une conduite faisant le lien entre une installation de surface au niveau de la mer ou à son voisinage, et une installation au fond de la mer. L'ensemble de ces contraintes peut faire flamber les fils des nappes d'armure- de traction et désorganiser de façon irréversible les nappes d'armure de traction, provoquant ainsi la ruine de la conduite flexible.
On a donc cherché des améliorations structurelles des conduites flexibles pour augmenter la résistance des nappes d'armure à la compression axiale.
Ainsi, le document WO 03/083343 décrit une telle solution qui consiste à enrouler autour des nappes d'armure de traction des rubans renforcés par exemple de fibres aramides. De cette manière on limite et
Lorsqu'une conduite, quelle que soit sa structure, est soumise à une pression externe qui est plus élevée que la pression interne, il se produit dans la paroi de la conduite des efforts de compression orientés parallèlement à l'axe de la conduite et qui tendent à raccourcir la longueur de la conduite. Ce phénomène porte le nom d'effet de fond inverse ( reverse end cap effect en anglais). L'intensité des efforts de compression axiale est sensiblement proportionnelle à la différence entre to la pression externe et la pression interne. Cette intensité peut atteindre un niveau très élevé dans le cas d'une conduite flexible immergée à grande profondeur, du fait que la pression interne peut, dans certaines conditions, être très inférieure à la pression hydrostatique.
Dans le cas d'une conduite flexible de structure classique, par exemple conforme aux documents normatifs de l'API, l'effet de fond inverse a tendance à induire un effort longitudinal de compression dans les fils constituant les nappes d'armure de traction, et à raccourcir la longueur de la conduite flexible. De plus, la conduite flexible est également soumise à des sollicitations dynamiques de flexion notamment lors de l'installation ou en service dans le cas d'une conduite montante ( riser en langue anglaise), c'est-à-dire d'une conduite faisant le lien entre une installation de surface au niveau de la mer ou à son voisinage, et une installation au fond de la mer. L'ensemble de ces contraintes peut faire flamber les fils des nappes d'armure- de traction et désorganiser de façon irréversible les nappes d'armure de traction, provoquant ainsi la ruine de la conduite flexible.
On a donc cherché des améliorations structurelles des conduites flexibles pour augmenter la résistance des nappes d'armure à la compression axiale.
Ainsi, le document WO 03/083343 décrit une telle solution qui consiste à enrouler autour des nappes d'armure de traction des rubans renforcés par exemple de fibres aramides. De cette manière on limite et
3 on contrôle le gonflement des nappes d'armure de traction. Toutefois, si cette solution permet de résoudre les problèmes liés au flambement radial des fils constituant les nappes d'armure de traction, elle permet seulement de limiter le risque de flambement latéral desdits fils qui perdure.
Le document WO 2006/042939 décrit une solution qui consiste à
utiliser des fils présentant un fort ratio largeur sur épaisseur et à réduire le nombre total de fils constituant chaque nappe d'armure de traction.
Cependant, si cette solution réduit le risque de flambement latéral des nappes d'armure de traction, elle ne le supprime pas totalement.
La demande FR 06 07421 au nom de la Demanderesse fait connaître une solution consistant à ajouter à l'intérieur de la structure de la conduite flexible une couche tubulaire de blocage axial. Cette couche est conçue pour reprendre les efforts de compression axiale et limiter le raccourcissement de la conduite, ce qui permet d'éviter d'endommager les nappes d'armure de traction.
Ces solutions sont efficaces mais présentent un certain nombre de contraintes, notamment financières, qui conduisent à souhaiter des solutions alternatives, du moins dans des cas spécifiques, et notamment dans le cas particulier des conduites montantes.
On connaît différentes configurations de conduites flexibles montantes. Les configurations les plus courantes sont représentées à la figure 4 du document normatif API RP 17B ; Recommended Practice for Flexible Pipes ; Third Edition ; March 2002 . Elles sont connues de l'homme du métier sous les noms Free Hanging , Steep S , Lazy S , Steep Wave et Lazy Wave . Une autre configuration, connue sous le nom de Pliant Wave O est décrite dans le brevet US
Le document WO 2006/042939 décrit une solution qui consiste à
utiliser des fils présentant un fort ratio largeur sur épaisseur et à réduire le nombre total de fils constituant chaque nappe d'armure de traction.
Cependant, si cette solution réduit le risque de flambement latéral des nappes d'armure de traction, elle ne le supprime pas totalement.
La demande FR 06 07421 au nom de la Demanderesse fait connaître une solution consistant à ajouter à l'intérieur de la structure de la conduite flexible une couche tubulaire de blocage axial. Cette couche est conçue pour reprendre les efforts de compression axiale et limiter le raccourcissement de la conduite, ce qui permet d'éviter d'endommager les nappes d'armure de traction.
Ces solutions sont efficaces mais présentent un certain nombre de contraintes, notamment financières, qui conduisent à souhaiter des solutions alternatives, du moins dans des cas spécifiques, et notamment dans le cas particulier des conduites montantes.
On connaît différentes configurations de conduites flexibles montantes. Les configurations les plus courantes sont représentées à la figure 4 du document normatif API RP 17B ; Recommended Practice for Flexible Pipes ; Third Edition ; March 2002 . Elles sont connues de l'homme du métier sous les noms Free Hanging , Steep S , Lazy S , Steep Wave et Lazy Wave . Une autre configuration, connue sous le nom de Pliant Wave O est décrite dans le brevet US
4 906 137.
Dans les configurations Steep S , Lazy S , Steep Wave , Lazy Wave et Pliant Wave , la conduite flexible montante est supportée, à une profondeur intermédiaire entre le fond et la surface, par un ou plusieurs organes à flottabilité positive, de type arche ou bouée sous-marine. Ceci confère à la conduite flexible montante une géométrie en forme de S ou de vague, ce qui lui permet de supporter les mouvements verticaux de l'installation de surface sans générer des courbures excessives de ladite conduite, particulièrement dans la zone située à proximité du fond marin, lesdites courbures excessives étant par ailleurs susceptibles d'endommager ladite conduite. Ces configurations sont généralement réservées aux applications dynamiques à une profondeur inférieure à 500 m.
Dans la configuration Free Hanging , la conduite flexible montante est disposée en caténaire entre le fond marin et l'installation de lo surface. Cette configuration présente l'avantage de la simplicité, mais l'inconvénient d'être mal adaptée aux applications dynamiques à faible profondeur, en raison des variations de courbure excessives pouvant être générées à proximité du fond marin. Cependant, cette configuration est couramment utilisée pour les applications à grande profondeur, c'est-à-is dire à plus de 1000 m, voire de 1500 m. En effet, dans ces conditions, l'amplitude relative des mouvements du support flottant, et tout particulièrement des mouvements verticaux liés à la houle, reste très inférieure à la longueur de la caténaire, ce qui limite l'amplitude des variations de courbure à proximité du fond marin et permet de maîtriser 20 les risques de fatigue de la conduite et de flambement latéral des nappes d'armure de traction. Cependant, pour garantir la résistance de la conduite flexible à l'effet de fond inverse, qui peut à ces grandes profondeurs atteindre un niveau très élevé, la structure de la conduite doit être dimensionnée selon les techniques connues précitées, ce qui conduit 25 à des solutions complexes et coûteuses.
On connaît aussi des colonnes montantes hybrides utilisant à la fois des conduites rigides et des conduites flexibles. Ainsi, les documents FR
2 507 672, FR 2 809 136, FR 2 876 142, GB 2 346 188, WO 00/49267, WO 02/053869, WO 02/063128, WO 02/066786 et WO 02/103153 3o divulguent une colonne montante de type tour hybride connue de l'homme du métier sous le nom de Hybrid Riser Tower . Une ou plusieurs conduites rigides remontent le long d'une tour sensiblement verticale depuis le fond marin jusqu'à une profondeur proche de la surface, profondeur à partir de laquelle une ou plusieurs conduites flexibles assurent la liaison entre le sommet de la tour et le support flottant. La tour est munie de moyens de flottabilité pour rester en position verticale. Ces
Dans les configurations Steep S , Lazy S , Steep Wave , Lazy Wave et Pliant Wave , la conduite flexible montante est supportée, à une profondeur intermédiaire entre le fond et la surface, par un ou plusieurs organes à flottabilité positive, de type arche ou bouée sous-marine. Ceci confère à la conduite flexible montante une géométrie en forme de S ou de vague, ce qui lui permet de supporter les mouvements verticaux de l'installation de surface sans générer des courbures excessives de ladite conduite, particulièrement dans la zone située à proximité du fond marin, lesdites courbures excessives étant par ailleurs susceptibles d'endommager ladite conduite. Ces configurations sont généralement réservées aux applications dynamiques à une profondeur inférieure à 500 m.
Dans la configuration Free Hanging , la conduite flexible montante est disposée en caténaire entre le fond marin et l'installation de lo surface. Cette configuration présente l'avantage de la simplicité, mais l'inconvénient d'être mal adaptée aux applications dynamiques à faible profondeur, en raison des variations de courbure excessives pouvant être générées à proximité du fond marin. Cependant, cette configuration est couramment utilisée pour les applications à grande profondeur, c'est-à-is dire à plus de 1000 m, voire de 1500 m. En effet, dans ces conditions, l'amplitude relative des mouvements du support flottant, et tout particulièrement des mouvements verticaux liés à la houle, reste très inférieure à la longueur de la caténaire, ce qui limite l'amplitude des variations de courbure à proximité du fond marin et permet de maîtriser 20 les risques de fatigue de la conduite et de flambement latéral des nappes d'armure de traction. Cependant, pour garantir la résistance de la conduite flexible à l'effet de fond inverse, qui peut à ces grandes profondeurs atteindre un niveau très élevé, la structure de la conduite doit être dimensionnée selon les techniques connues précitées, ce qui conduit 25 à des solutions complexes et coûteuses.
On connaît aussi des colonnes montantes hybrides utilisant à la fois des conduites rigides et des conduites flexibles. Ainsi, les documents FR
2 507 672, FR 2 809 136, FR 2 876 142, GB 2 346 188, WO 00/49267, WO 02/053869, WO 02/063128, WO 02/066786 et WO 02/103153 3o divulguent une colonne montante de type tour hybride connue de l'homme du métier sous le nom de Hybrid Riser Tower . Une ou plusieurs conduites rigides remontent le long d'une tour sensiblement verticale depuis le fond marin jusqu'à une profondeur proche de la surface, profondeur à partir de laquelle une ou plusieurs conduites flexibles assurent la liaison entre le sommet de la tour et le support flottant. La tour est munie de moyens de flottabilité pour rester en position verticale. Ces
5 tours hybrides sont principalement utilisées pour des applications à
grande profondeur. Elles présentent l'inconvénient d'être difficiles à
installer. En particulier, l'installation en mer du tronçon rigide nécessite généralement des moyens de levage très puissants.
Mais jusque-là, on ne connaît pas d'installation de conduite io montante réalisée en conduite flexible disposée verticalement qui puisse résister efficacement à l'effet de fond inverse dans les utilisations en mer profonde (c'est-à-dire typiquement à plus de 1000 m, voire 1500 ou 2000 m), sans avoir recours à des modifications structurelles onéreuses de la conduite. A ces grandes profondeurs, l'effet de fond se manifeste avec une amplitude très grande en raison de l'importance de la pression hydrostatique. Lorsque dans une installation de transport d'hydrocarbures, notamment sous forme gazeuse, la production est arrêtée, par exemple en fermant une vanne, la pression intérieure dans la conduite peut chuter et la différence entre la pression hydrostatique extérieure élevée et la pression interne faible ou nulle peut devenir considérable. Ce sont les conditions qui engendrent l'effet de fond inverse. Si l'on veut utiliser une conduite flexible dans une installation de colonne montante classique, on est donc obligé d'adapter la structure de la conduite pour pouvoir résister en pied de colonne à l'effet de fond inverse, ce qui oblige à dimensionner les couches de renfort de la conduite en conséquence, le pied de colonne étant la partie dimensionnante, ce qui conduit à un surdimensionnement du reste de la conduite et donc à un surcoût.
L'invention a pour but de proposer une telle installation de conduite montante flexible résistant efficacement à l'effet de fond inverse malgré la grande profondeur mais n'exigeant pas des modifications structurelles pénalisantes. L'invention a aussi pour but de proposer un procédé
d'installation en mer de cette conduite.
grande profondeur. Elles présentent l'inconvénient d'être difficiles à
installer. En particulier, l'installation en mer du tronçon rigide nécessite généralement des moyens de levage très puissants.
Mais jusque-là, on ne connaît pas d'installation de conduite io montante réalisée en conduite flexible disposée verticalement qui puisse résister efficacement à l'effet de fond inverse dans les utilisations en mer profonde (c'est-à-dire typiquement à plus de 1000 m, voire 1500 ou 2000 m), sans avoir recours à des modifications structurelles onéreuses de la conduite. A ces grandes profondeurs, l'effet de fond se manifeste avec une amplitude très grande en raison de l'importance de la pression hydrostatique. Lorsque dans une installation de transport d'hydrocarbures, notamment sous forme gazeuse, la production est arrêtée, par exemple en fermant une vanne, la pression intérieure dans la conduite peut chuter et la différence entre la pression hydrostatique extérieure élevée et la pression interne faible ou nulle peut devenir considérable. Ce sont les conditions qui engendrent l'effet de fond inverse. Si l'on veut utiliser une conduite flexible dans une installation de colonne montante classique, on est donc obligé d'adapter la structure de la conduite pour pouvoir résister en pied de colonne à l'effet de fond inverse, ce qui oblige à dimensionner les couches de renfort de la conduite en conséquence, le pied de colonne étant la partie dimensionnante, ce qui conduit à un surdimensionnement du reste de la conduite et donc à un surcoût.
L'invention a pour but de proposer une telle installation de conduite montante flexible résistant efficacement à l'effet de fond inverse malgré la grande profondeur mais n'exigeant pas des modifications structurelles pénalisantes. L'invention a aussi pour but de proposer un procédé
d'installation en mer de cette conduite.
6 L'invention atteint son but grâce à une installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible de type non lié, ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine d'étanchéité interne et au moins deux nappes de fils d'armure de traction enroulées à pas long, la conduite étant disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique en tête avec une bouée immergée et d'autre part une connexion mécanique en pied avec le fond marin, des connexions fluidiques étant prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface et d'autre lo part avec des équipements de fond, caractérisée en ce que le pied de la colonne est à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et en ce que la bouée est dimensionnée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T
supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
On entend par gaine d'étanchéité interne la première couche, en partant de l'intérieur de la conduite, dont la fonction est d'assurer l'étanchéité vis-à-vis du fluide circulant dans la conduite. Généralement, la gaine d'étanchéité interne est un tube en polymère extrudé. Cependant, la présente invention s'applique aussi au cas où ladite gaine d'étanchéité
interne est constituée d'un tube métallique flexible et étanche, du type de celui divulgué dans le document WO 98/25063.
Dans la présente demande, l'effet de fond inverse est donné par la formule F = (Pext x Sext) - (Pint x Sint) Pext est la pression hydrostatique régnant à l'extérieur de la conduite, dans la zone située à proximité du fond marin. Pint est la pression minimale régnant à l'intérieur de la conduite, dans la zone située à proximité du fond marin. C'est la pression interne la plus faible vue par la conduite, pendant toute sa durée de service, dans la zone située à
proximité du fond marin. Cette pression minimale est généralement évaluée dès la phase de conception de la conduite, car elle conditionne le dimensionnement de la conduite. Sint est la section transversale interne
supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
On entend par gaine d'étanchéité interne la première couche, en partant de l'intérieur de la conduite, dont la fonction est d'assurer l'étanchéité vis-à-vis du fluide circulant dans la conduite. Généralement, la gaine d'étanchéité interne est un tube en polymère extrudé. Cependant, la présente invention s'applique aussi au cas où ladite gaine d'étanchéité
interne est constituée d'un tube métallique flexible et étanche, du type de celui divulgué dans le document WO 98/25063.
Dans la présente demande, l'effet de fond inverse est donné par la formule F = (Pext x Sext) - (Pint x Sint) Pext est la pression hydrostatique régnant à l'extérieur de la conduite, dans la zone située à proximité du fond marin. Pint est la pression minimale régnant à l'intérieur de la conduite, dans la zone située à proximité du fond marin. C'est la pression interne la plus faible vue par la conduite, pendant toute sa durée de service, dans la zone située à
proximité du fond marin. Cette pression minimale est généralement évaluée dès la phase de conception de la conduite, car elle conditionne le dimensionnement de la conduite. Sint est la section transversale interne
7 de la gaine d'étanchéité interne sur laquelle s'applique directement la pression interne. Sext est la section transversale externe de la gaine d'étanchéité sur laquelle s'applique directement la pression externe.
Dans le cas d'une conduite flexible ne comportant qu'une seule gaine étanche, à savoir la gaine d'étanchéité interne, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine. En effet, la pression hydrostatique s'applique dans ce cas directement sur la face externe de la gaine d'étanchéité interne. Des conduites flexibles conformes à cette caractéristique sont notamment décrites dans les documents io W002/31394 et W02005/04030. De telles conduites peuvent comporter une gaine polymérique externe non étanche qui, du fait de son absence d'étanchéité, n'intervient pas dans le calcul de F.
Généralement, la conduite flexible comporte au moins deux gaines étanches, à savoir d'une part une gaine d'étanchéité interne sur la face interne de laquelle s'applique directement la pression interne, et d'autre part une autre gaine étanche entourant ladite gaine d'étanchéité interne et sur la face externe de laquelle s'applique directement la pression externe.
Fréquemment, cette autre gaine étanche directement soumise à la pression hydrostatique est la couche la plus externe de la conduite flexible, et elle est alors désignée sous le nom de gaine d'étanchéité
externe. Dans ce cas, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine d'étanchéité externe.
Cependant, il existe aussi des conduites flexibles, notamment celles à passage lisse ( smooth bore en anglais), dans lesquelles cette autre gaine étanche directement soumise à la pression hydrostatique est une gaine intermédiaire d'étanchéité généralement située entre la voûte de pression et la nappe interne de fils d'armures de traction. Dans ce cas, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine intermédiaire d'étanchéité directement soumise à la pression hydrostatique.
Dans le cas d'une conduite flexible ne comportant qu'une seule gaine étanche, à savoir la gaine d'étanchéité interne, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine. En effet, la pression hydrostatique s'applique dans ce cas directement sur la face externe de la gaine d'étanchéité interne. Des conduites flexibles conformes à cette caractéristique sont notamment décrites dans les documents io W002/31394 et W02005/04030. De telles conduites peuvent comporter une gaine polymérique externe non étanche qui, du fait de son absence d'étanchéité, n'intervient pas dans le calcul de F.
Généralement, la conduite flexible comporte au moins deux gaines étanches, à savoir d'une part une gaine d'étanchéité interne sur la face interne de laquelle s'applique directement la pression interne, et d'autre part une autre gaine étanche entourant ladite gaine d'étanchéité interne et sur la face externe de laquelle s'applique directement la pression externe.
Fréquemment, cette autre gaine étanche directement soumise à la pression hydrostatique est la couche la plus externe de la conduite flexible, et elle est alors désignée sous le nom de gaine d'étanchéité
externe. Dans ce cas, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine d'étanchéité externe.
Cependant, il existe aussi des conduites flexibles, notamment celles à passage lisse ( smooth bore en anglais), dans lesquelles cette autre gaine étanche directement soumise à la pression hydrostatique est une gaine intermédiaire d'étanchéité généralement située entre la voûte de pression et la nappe interne de fils d'armures de traction. Dans ce cas, Sext est égal à la section transversale externe de cette gaine intermédiaire d'étanchéité directement soumise à la pression hydrostatique.
8 A titre d'exemple, si on considère une conduite flexible à passage non lisse ( rough bore en anglais) composée, en partant de l'intérieur vers l'extérieur, d'une carcasse métallique, d'une gaine polymérique d'étanchéité interne de diamètre intérieur Dint, d'une voûte de pression, d'une paire de nappes d'armure de traction et d'une gaine polymérique d'étanchéité externe de diamètre extérieur Dext, l'effet de fond inverse maximum calculable F est donné par la formule :
F=(Pext X TT D2ext / 4) -(Pint x Tr D2int / 4) Grâce à une tension T en pied de colonne largement supérieure à ce que le simple support de la colonne montante flexible justifierait, on compense au moins en partie l'effet de fond inverse et on évite de trop faire travailler les nappes d'armure de traction en compression, ce qui permet de simplifier la structure de la conduite et donc de réduire son coût. De plus, il est ainsi possible d'augmenter les profondeurs d'eau accessibles sans avoir besoin de recourir à des modifications majeures des techniques connues de conception et de fabrication des conduites flexibles. L'invention permet ainsi de s'affranchir de l'emploi d'une couche tubulaire de blocage axial du type de celle décrite dans la demande FR 06 07421. Elle permet aussi de supprimer ou de réduire l'épaisseur de la ou des couches anti-gonflement, couches décrites en particulier dans le document WO 03/083343, et dont la fonction est de limiter le gonflement des nappes d'armure de traction lorsque ces dernières sont soumises à
un effort de compression. Ces couches anti-gonflement sont généralement constituées de bandes renforcées en Kevlar enroulées autour des nappes d'armure de traction. Du fait du coût élevé du Kevlar0, la réduction ou la suppression de ces bandes permet une économie importante. Un autre avantage de l'invention est de réduire le risque de flambement latéral des armures de traction, et donc d'augmenter la profondeur à laquelle les conduites flexibles peuvent être utilisées en tant que colonne montante. Ceci permet aussi d'éviter l'emploi de fils d'armure
F=(Pext X TT D2ext / 4) -(Pint x Tr D2int / 4) Grâce à une tension T en pied de colonne largement supérieure à ce que le simple support de la colonne montante flexible justifierait, on compense au moins en partie l'effet de fond inverse et on évite de trop faire travailler les nappes d'armure de traction en compression, ce qui permet de simplifier la structure de la conduite et donc de réduire son coût. De plus, il est ainsi possible d'augmenter les profondeurs d'eau accessibles sans avoir besoin de recourir à des modifications majeures des techniques connues de conception et de fabrication des conduites flexibles. L'invention permet ainsi de s'affranchir de l'emploi d'une couche tubulaire de blocage axial du type de celle décrite dans la demande FR 06 07421. Elle permet aussi de supprimer ou de réduire l'épaisseur de la ou des couches anti-gonflement, couches décrites en particulier dans le document WO 03/083343, et dont la fonction est de limiter le gonflement des nappes d'armure de traction lorsque ces dernières sont soumises à
un effort de compression. Ces couches anti-gonflement sont généralement constituées de bandes renforcées en Kevlar enroulées autour des nappes d'armure de traction. Du fait du coût élevé du Kevlar0, la réduction ou la suppression de ces bandes permet une économie importante. Un autre avantage de l'invention est de réduire le risque de flambement latéral des armures de traction, et donc d'augmenter la profondeur à laquelle les conduites flexibles peuvent être utilisées en tant que colonne montante. Ceci permet aussi d'éviter l'emploi de fils d'armure
9 PCT/FR2008/000079 de-traction présentant un fort ratio largeur sur épaisseur, ce qui facilite la fabrication des conduites.
La présente invention s'applique avantageusement à toute conduite flexible de type non lié, dès lors que celle-ci comprend au moins une gaine d'étanchéité interne et une paire de fils d'armure de traction.
Avantageusement la bouée est dimensionnée pour exercer sur la colonne montante une tension T supérieure à au moins 75% de l'effet de fond inverse maximum F développé en pied de colonne, et de manière encore plus avantageuse la bouée est dimensionnée pour exercer sur la io colonne montante une tension T supérieure à au moins 100% de l'effet de fond inverse maximum F développé en pied de colonne. Dans ce dernier cas, on est assuré que les armures de traction ne seront jamais mises en compression par l'effet de fond inverse et il est alors particulièrement avantageux de choisir de réaliser la conduite flexible avec des fils d'armure de traction à base de fibres en carbone. De telles nappes d'armure de traction offrent l'avantage de la légèreté mais résistent mal à
la compression. L'invention permet de les utiliser pour une colonne montante, moyennant ces précautions de tension élevée imposée par la bouée en tête de colonne.
De telles bouées à flottabilité élevée ne posent pas de problème particulier de faisabilité dans la mesure où elles sont déjà utilisées dans le domaine précité des tours hybrides. Les documents précités relatifs à ces tours hybrides décrivent en particulier des bouées qui peuvent être utilisées pour la présente invention.
La connexion fluidique en tête comporte généralement une conduite flexible de liaison en tête reliant le haut de la colonne montante aux équipements de surface, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires appropriés.
Une installation conforme à l'invention présente en outre 3o avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- La gaine d'étanchéité interne de la conduite flexible verticale est polymérique.
- La conduite flexible verticale comprend une gaine polymérique externe d'étanchéité entourant les nappes de fils d'armure de traction.
- La pression hydrostatique s'applique directement sur la face externe de la gaine d'étanchéité interne.
5 - La conduite flexible verticale comprend, entre la gaine d'étanchéité
interne et les nappes de fils d'armure de traction, une voûte de pression interne réalisée par un enroulement hélicoïdal à pas court de fil, destinée à résister à la pression interne du fluide transporté.
- Les nappes de fils d'armure de traction de la conduite flexible io verticale comprennent des nappes de fils à base de fibres de carbone.
- La connexion mécanique en pied comporte au moins un câble d'ancrage reliant le bas de la conduite flexible verticale à un point d'ancrage fixé sur le fond marin. Ce câble d'ancrage peut être remplacé
par tout moyen de liaison équivalent, présentant à la fois une grande résistance mécanique en tension et une bonne souplesse en flexion, comme par exemple une chaîne ou un dispositif mécanique articulé.
- La connexion fluidique en pied comporte une conduite flexible de liaison en pied reliant le bas de la colonne montante à une conduite de production, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires appropriés.
- La connexion fluidique en pied se fait par un embout inférieur de liaison fixé en bas de la conduite flexible verticale, et le au moins un câble d'ancrage mentionné ci-dessus est solidarisé à son extrémité supérieure audit embout inférieur de liaison.
- Ladite conduite flexible de liaison en pied est à flottabilité répartie.
- La bouée comporte un alésage central de passage de la conduite flexible verticale de diamètre supérieur à celui d'un embout supérieur de liaison de ladite conduite flexible verticale.
- La connexion mécanique en tête comporte un collier en plusieurs parties servant de butée entre la partie supérieure de la bouée et l'embout supérieur de liaison de la conduite flexible verticale.
- Un dispositif limiteur de courbure est prévu au bas de l'alésage de la bouée.
- La connexion mécanique en tête comporte une ligne de traction reliant le bas de la bouée à un élément solidaire du haut de la conduite flexible verticale.
- L'élément solidaire du haut de la conduite flexible verticale est un col de cygne servant à la connexion fluidique en tête.
L'invention concerne également un procédé de mise en place de l'installation conforme à l'invention.
Il s'agit donc d'un procédé de mise en place d'une installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible de type non lié, io ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine d'étanchéité interne et au moins deux nappes de fils d'armure de traction enroulées à pas long, la conduite devant être disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique en tête avec une bouée immergée et d'autre part une connexion mécanique en pied avec le fond marin, des connexions fluidiques devant être prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface et d'autre part avec des équipements de fond, le procédé étant caractérisé en ce qu'on dispose le pied de la colonne à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et 2o en ce qu'on dimensionne la bouée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
De manière avantageuse, on utilise pour la pose de l'installation un premier navire à partir duquel est déroulée la conduite flexible et un second navire de support de la bouée susceptible de supporter la bouée ballastée entre une position supérieure près de la surface et une position inférieure près du fond marin ; on attache une première extrémité de la conduite flexible déroulée à la bouée en position supérieure ; on déroule la conduite flexible de manière qu'elle pende entre le premier navire et le second navire ; on prolonge une seconde extrémité de la conduite flexible déroulée par un flexible de liaison muni d'un raccord fluidique ; on utilise une ligne d'accrochage pour accrocher ledit raccord au premier navire de pose et on déroule cette ligne d'accrochage pour faire descendre ledit raccord sensiblement au niveau de ladite seconde extrémité ; on fait descendre ledit raccord et ladite seconde extrémité jusqu'au voisinage du fond ; on procède à la connexion mécanique de ladite seconde extrémité
et à la connexion fluidique dudit raccord, et on déballaste la bouée.
Avantageusement, on remplit la conduite flexible d'eau pendant la pose.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non i.o limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'une.
conduite flexible utilisable selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en élévation d'une installation de conduite montante conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle d'un premier mode de raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 4 est une vue de côté de la figure 3;
- la figure 5 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode de raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 6 est une vue schématique partielle d'un troisième mode de raccordement en pied de conduite montante, également représenté en figure2;
- la figure 7 est une vue schématique partielle d'un premier mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 8 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 9 est une vue schématique partielle d'un troisième mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- les figures 10 à 17 sont des vues schématiques en élévation de 3o différentes étapes d'un procédé d'installation en mer de la conduite montante.
La Figure 1 illustre une conduite flexible non liée 10 du type à
passage non lisse (en anglais rough-bore ) et qui présente ici, de l'intérieur de la conduite vers l'extérieur une carcasse métallique interne 16, une gaine d'étanchéité interne 18 en matière plastique, une voûte de pression agrafée 20, deux nappes croisées d'armure de traction 22, 24, une couche anti-gonflement 25 réalisée par enroulement de bandes tissées en fibres de KevlarO, et une gaine externe d'étanchéité 26. La conduite flexible 10 s'étend ainsi longitudinalement selon l'axe 17. La carcasse interne métallique 16, la voûte de pression agrafée 20 et la io couche anti-gonflement 25 sont réalisées grâce à des éléments longitudinaux enroulés hélicoïdalement à pas court, tandis que les nappes croisées d'armure 22, 24 sont formées d'enroulements hélicoïdaux à pas long de fils d'armure.
Dans un autre type de conduite, à passage lisse (dite smooth-is bore en anglais), la carcasse métallique 16 est supprimée et une gaine intermédiaire d'étanchéité est généralement ajoutée entre d'une part la voûte de pression 20 et d'autre part la nappe interne d'armure 22.
La figure 2 représente schématiquement la colonne montante 1 de l'invention destinée à faire remonter un fluide, en principe un hydrocarbure 20 liquide ou gazeux, ou biphasique, entre une installation de production 2 située sur le fond marin 5 et une installatiori d'exploitation 3 flottant à la surface 4 de la mer. L'installation de production 2 représentée sur la figure 2 est une conduite, généralement rigide, reposant sur le fond marin et connue de l'homme du métier sous le nom de flowline . Cette conduite 25 assure la liaison entre d'une part le pied de la colonne montante 1, et d'autre part une installation sous-marine du type par exemple collecteur ( manifold en anglais) ou tête de puits.
La colonne montante se compose essentiellement d'une portion de conduite flexible verticale 10 tendue entre une connexion mécanique 6', 30 6", 6"' d'accrochage au fond marin 5 en pied de colonne et une connexion mécanique 7', 7" d'accrochage à une bouée immergée 8 en tête de colonne. Les moyens d'accrochage 7', 7" ont pour fonction de transmettre à la partie supérieure de la conduite flexible l'effort de flottabilité positive généré par la bouée 8. Les moyens d'accrochage mécanique 6', 6", 6"' ont pour fonction d'ancrer la base de la conduite flexible 10 au fond marin 5.
Des moyens de raccordement en tête 40, 12 prolongent la conduite flexible verticale 10 à partir de son extrémité supérieure et permettent la circulation du fluide transporté vers l'installation d'exploitation 3. Des moyens de raccordement en pied 33, 34, 30 assurent la continuité de l'écoulement du fluide transporté entre d'une part l'installation sous-io marine de production 2 et d'autre part la partie inférieure de la conduite flexible verticale 10.
Dans une installation typique envisagée par la Demanderesse, la profondeur P de la mer est supérieure à 1000 m et peut atteindre par exemple 3000 m. La bouée 8 est immergée à une hauteur P1 sous le niveau de la mer qui est typiquement comprise entre 100 m et 300 m pour échapper aux courants marins de surface. La bouée exerce en tête de colonne sur celle-ci une tension T1 dirigée vers le haut. Cette tension T1 est définie par la flottabilité de la bouée 8. Compte tenu du poids apparent de la conduite sous l'eau, la force de réaction T s'exerçant en pied de colonne au niveau de la fixation 6' a comme intensité la différence entre la tension T1 en tête et le poids apparent relatif de la colonne.
Selon la présente invention, la flottabilité de la bouée est définie de telle façon que la tension T résultante appliquée à la partie inférieure de la conduite flexible montante soit suffisamment importante pour compenser au moins 50%, avantageusement 75% et préférentiellement 100% de l'effort de compression axiale généré par l'effet de fond inverse.
Une des caractéristiques importantes de l'invention réside dans la flottabilité très élevée imposée à la bouée 8. Selon le mode de réalisation choisi, l'écart entre la flottabilité strictement nécessaire pour maintenir l'ensemble et celle convenant pour mettre en oeuvre la présente invention peut dépasser 70 000 daN, voire 100 000 daN ou même 200 000 daN, ce qui est une valeur très importanté, nettement supérieure aux marges de sécurité, de l'ordre de 10 000 daN à 20 000 daN qui auraient auparavant semblées suffisantes à l'homme du métier. Ce surdimensionnement important de la bouée a pour conséquence un surcoût important de la bouée, si bien qu'il avait par le passé été évité. La présente invention va à
5 l'encontre de ce préjugé. En augmentant la taille et le coût de la bouée, on obtient, contre toute attente, un gain plus important sur la structure de la conduite flexible verticale 10, cet avantage venant largement compenser l'inconvénient lié au surcoût de la bouée 8.
L'exemple suivant illustre ce point. Considérons une conduite flexible lo verticale 10 de transport de gaz, de diamètre intérieur 225 mm et de diamètre extérieur 335 mm, et s'étendant entre le fond marin situé à une profondeur P = 2000 m et la bouée 8 située à une profondeur P1 = 200 m.
Supposons par ailleurs qu'en cas d'arrêt de production, la pression à
l'intérieur de la conduite puisse chuter à 1 bar, dans la zone située à
15 proximité du fond mari,n, cette pression interne étant par ailleurs la pression minimale prévue pendant la durée de vie et de fonctionnement de la conduite. La pression hydrostatique en pied de conduite est sensiblement égale à 200 bar. Par conséquent, dans cet exemple :
Pext = 200 bar = 2 daN/mm2 Pint = 1 bar = 0, 01 daN/mm2 Dext = 335 mm Dint = 225 mm Si bien que l'effet de fond inverse maximum est :
F = (2 x Tr x 3352/4) - (0,01 x Tr x 2252/4) = 176 000 daN
Selon la pratique antérieure, la tension T induite en pied de colonne est faible, de l'ordre de 15 000 daN, si bien que la conduite aurait alors été dimensionnée pour résister à un effet de fond inverse de l'ordre de 180 000 daN. En pratique, dans cet exemple, ceci aurait conduit à choisir une structure comportant deux nappes d'armure de traction 22, 24 en 3o acier de 4 mm d'épaisseur chacune, ainsi qu'une couche anti-gonflement 25 en KevlarO de forte épaisseur. Les fils en acier constituant les nappes d'armure de traction auraient de plus présenté un fort ratio largeur sur épaisseur, typiquement 20 mm par 4 mm, pour éviter le flambement latéral des nappes d'armure de traction. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lorsqu'elle est pleine de gaz, aurait alors été de l'ordre de 100 daN par mètre linéaire, ce qui aurait conduit à un poids total de 180 000 daN. La bouée supporte non seulement le poids apparent dans l'eau de la conduite 10, mais aussi celui d'une partie des moyens de raccordement en pied 30, ainsi que sensiblement, la moitié de celui des moyens de raccordement en tête 40, 12, l'autre moitié étant supportée par l'installation d'exploitation 3. Dans cet exemple, ces suppléments de poids io à supporter sont de l'ordre de 20 000 daN. Par conséquent, selon la pratique antérieure, la bouée aurait été dimensionnée pour avoir une flottabilité permettant de générer en tête de colonne une tension :
T1 = 180 000 + 20 000 + 15 000 = 215 000 daN
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la tension T en pied de colonne est égale à 50% de F, c'est-à-dire à 88 000 daN. La conduite flexible 10 doit dans ce cas être dimensionnée pour résister à un effort de compression axiale de l'ordre de 90 000 daN au lieu des 180 000 daN précités selon l'art antérieur. Cette forte diminution de la compression axiale permet dans cet exemple de choisir une structure comportant deux 2o nappes d'armure de traction 22, 24 en acier de 3 mm d'épaisseur chacune, et constituées de fils classiques ne présentant pas un fort ratio largeur sur épaisseur. L'épaisseur de la couche anti-gonflement 25 en KevlarO est dans ce cas quasiment deux fois plus faible que celle selon l'art antérieur précité. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lorsqu'elle est pleine de gaz, est de l'ordre de 90 daN par mètre linéaire, c'est-à-dire sensiblement inférieur à celui d'une conduite selon l'art antérieur précité.
Le poids total dans l'eau. de la conduite 10 avoisine donc 162 000 daN.
Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la bouée doit être dimensionnée pour avoir une flexibilité permettant de générer en tête 3o de colonne une ténsion :
T1 = 162 000 + 20 000 + T = 162 000 + 20 000 + 88 000 = 252 000 daN
Selon ce mode de réalisation de l'invention, la flottabilité de la bouée 8 a donc dans cet exemple été augmentée de 37 000 daN en valeur absolue ou 17% en valeur relative par rapport à la pratique antérieure. Cet inconvénient est compensé par le gain sur la structure de la conduite.
Selon un deuxième mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, la tension T en pied de colonne est égale à F, c'est-à-dire à
176 000 daN.
Dans ce cas, dans la mesure où l'effet de fond inverse F est totalement compensé et où on évite de mettre les nappes d'armure de io traction 22, 24 en compression, il est possible et avantageux de choisir pour celles-ci des fils en matériau composite, préférentiellement à base de fibres de carbone. On pourra se référer par exemple au document US
6 620 471 au nom de Demanderesse, faisant connaitre des rubans composites comportant des fibres composites noyées dans une matrice thermoplastique. De telles armures apportent une grande résistance à la traction et conduisent à une conduite flexible plus légère que des armures métalliques. En revanche, comme elles résistent mal à la compression, on ne peut les employer que dans des conditions où le risque de mise en compression est conjuré, ce qui est le cas avec l'invention qui permet de toujours maintenir les armures en traction.
L'emploi d'armures de traction en fibres de carbone en lieu et place d'armures en acier permet non seulement d'alléger la conduite, ce qui facilite sa manutention et son installation en mer, mais aussi d'améliorer sa résistance à la corrosion et d'éviter les phénomènes de fragilisation par l'hydrogène rencontrés avec les aciers à hautes caractéristiques mécaniques. L'absence de compression axiale permet aussi de supprimer la couche anti-gonflement 25 en KevlarO, ce qui permet une économie importante. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lors qu'elle est pleine de gaz, est dans cet exemple de l'ordre de 60 daN par mètre linéaire, ce 3o qui représente un gain de poids de 40 % par rapport à l'art antérieur précité. Le poids total dans l'eau de la conduite 10 avoisine donc 108 000 daN. Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la bouée doit être dimensionnée pour avoir une flottabilité permettant de générer en tête de colonne une tension :
T1 = 108 000 + 20 000 + T = 108 000 + 20 000 + 176 000 = 304 000 daN
La flottabilité de la bouée a donc été augmentée de 89 000 daN en valeur absolue ou 41 % en valeur relative par rapport à la pratique antérieure.
Cet inconvénient est largement compensé par le gain sur la structure de la conduite et sur sa facilité d'installation en mer, du fait du moindre poids de la conduite.
On décrira maintenant plus en détail la réalisation de certains des io équipements de l'installation conforme à l'invention.
Les figures 2 à 6 représentent différents moyens de raccordement en pied. Ces moyens comportent une conduite 30 de liaison en pied, généralement de courte longueur, en pratique moins de 100m. Cette conduite de liaison en pied doit être dimensionnée pour résister à la totalité l'effet de fond inverse. Cette conduite de liaison en pied peut comporter un ou plusieurs tronçons de conduite rigide ou flexible éventuellement combinés entre eux. Elle peut aussi comporter un dispositif mécanique de type joint flexible, dispositif dont la fonction est d'assurer la continuité de l'écoulement tout en autorisant des degrés de liberté en flexion similaires à ceux d'une conduite flexible.
Avantageusement la conduite 30 de liaison en pied est une conduite flexible renforcée selon les techniques précitées de l'art antérieur, afin de résister à l'effet de fond inverse et de supprimer le risque de flambement latéral des nappes d'armure de traction. La structure de cette conduite flexible 30 de liaison en pied est généralement très différente de celle de la conduite flexible verticale 10. Sur la figure 2 et la figure 6, la conduite flexible 30 est raccordée à son extrémité inférieure par un embout 32 à
l'embout 35 d'une manchette rigide 34 permettant un raccordement par le haut avec un connecteur vertical 33 placé à l'extrémité de la conduite de production ( flowline ) 2 et coopérant avec un embout adapté 36 de la manchette 34. L'extrémité supérieure du flexible 30 comporte un embout 31 raccordé à l'embout inférieur 6' de la conduite flexible 10, lequel est fixé à un point d'ancrage 6"' par un câble 6". Le point d'ancrage 6"' est solidaire du fond marin 5. II est dimensionné pour résister à une tension d'arrachement supérieure à la tension T exercée par le pied de la colonne. Le point d'ancrage 6"' est avantageusement une ancre à succion ( succion pile en anglais) ou une pile d'ancrage par gravité.
La figure 3 montre une variante de raccordement horizontal de la conduite 30 directement dans un connecteur horizontal 33 terminant la conduite de production 2. La figure 4 montre que l'embout inférieur 6' est en fait maintenu par deux câbles 6" fixés à leur extrémité supérieure sur io deux de ses côtés, et à leur extrémité inférieure sur une attache articulée 28 du point d'ancrage 6"'.
La figure 5 montre une variante utilisant une conduite flexible 30 de liaison en pied, selon laquelle le flexible 30 est à flottabilité répartie, grâce à des bouées 34 entourant le flexible ; ceci a l'avantage de permettre de supporter de larges débattements angulaires de la conduite 10 de part et d'autre de la position verticale.
On a représenté sur les figures 7 à 9 différentes variantes des moyens de raccordement en tête. La figure 7 montre que la conduite flexible 10 présente un embout supérieur 7' sur lequel se raccorde l'embout inférieur 39 d'une conduite rigide 40 en col de cygne dont l'embout supérieur 41 est raccordé à l'embout inférieur 13 de la conduite flexible 12 de liaison en tête connectée à l'installation de surface. La conduite flexible 12 de liaison en tête est généralement appelée jumper par l'homme du métier. Un collier 7" en deux parties faisant butée empêche l'embout 7' de descendre à travers l'alésage 37 de la bouée 8. L'alésage 37 possède à sa partie inférieure une forme évasée 38 faisant office de limiteur de courbure en cas de débattement angulaire de la conduite 10 par rapport à la bouée. La bouée est avantageusement une structure mécano soudée et compartimentée ; des chambres étanches remplies d'air peuvent être ballastées et déballastées avec de l'eau, de façon à faire varier la flottabilité de la bouée.
Dans la variante représentée en figure 8, le col de cygne est supprimé et remplacé par des moyens répartis de flottabilité 44 (bouées entourant le jumper flexible 12) ayant pour effet de donner au jumper flexible 12 la forme d'un S. L'embout 13 du jumper 12 est 5 donc directement fixé à l'embout 7' de la conduite 10. On a aussi remplacé l'évasement inférieur 38 de l'alésage de la bouée 8 par un limiteur de courbure 42 ( bend stiffener en anglais) ajouté en partie inférieure de bouée.
Dans la variante représentée en figure 9, la bouée 8 est accrochée iô au-dessus de la colonne montante, au moyen d'une chaîne 45 (ou équivalent) fixée dans un anneau 47 à la bouée et dans un anneau 46 au col de cygne 40.
On décrira maintenant, en se référant aux figures 10 à 17, une méthode d'installation de l'installation conforme à l'invention. Cette 15 méthode utilise deux bateaux, un bateau 50 de pose de conduites flexibles et un bateau 60 de support.
Le bateau 50 comporte une bobine 52 ou un panier stockant la conduite flexible à poser sous forme enroulée (ou plus exactement une partie de la conduite à enrouler), permettant de dérouler du flexible 10 en 20 le faisant passer sur une poulie de renvoi 54 puis par des moyens d'entraînement 56, avantageusement de type quadri chenille verticale, situés au-dessus du puits central 51 du bateau. Un treuil 53 muni d'un câble annexe 66 sera décrit plus loin (cf. figures 14 à 16) pour la fin de la pose.
Le bateau 60 comporte une grue principale 62 ayant la capacité de lever la bouée 8 grâce à un câble 63, et un moyen annexe de traction 64, de type grue ou treuil.
Dans la première étape représentée en figure 10, un câble 57, destiné à tirer la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8, est préalablement fixé à l'embout supérieur 7' de la conduite 10 et tiré à
travers la bouée 8 jusqu'au treuil ou grue 64.
Dans la deuxième étape représentée en figure 11, on tire à l'aide du treuil 64 la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8; simultanément, le bateau de pose dévide la longueur nécessaire de flexible 10.
Dans la troisième étape représentée en figure 12, on solidarise l'embout 7' (qui est passé à travers l'alésage 37 de la bouée 8) avec la bouée à l'aide du collier en deux parties 7".
Dans la quatrième étape représentée en figure 13, on déconnecte le treuil 64 et son câble 57 de l'embout 7'.
On ne sortirait pas du cadre de la présente invention si, au cours de io ces quatre étapes, le treuil 64 utilisé comme moyen annexe de traction était fixé non pas sur le bateau 60, mais plutôt sur la partie supérieure de la bouée 8. Dans ce cas, à la fin de la quatrième étape, le treuil 64 serait avantageusement désolidarisé de la bouée 8 pour être récupéré et chargé
sur le bateau 60.
On dévide alors complètement le flexible 10 du bateau de pose 50, puis là conduite flexible 30 qui lui est attachée par les embout 6', 31, puis le col de cygne rigide 34 attaché par les embouts 32, 35.
Dans la cinquième étape représentée en figure 14, on accroche un câble 66 au col de cygne 34, ce qui permet de terminer la descente en 2o dévidant le câble 66 qui se déroule du treuil 53 en passant sur une poulie de renvoi, par exemple, la poulie 54 déjà utilisée pour le renvoi du flexible.
Dans la sixième étape représentée en figure 15, on descend la bouée 8 avec la grue 62, la bouée étant ballastée. On opère la connexion assistée par robot sous-marin (de type connu sous le nom de ROV ) du câble d'ancrage 6" au point d'ancrage 6"', qui a été pré installé.
Dans la septième étape représentée en figure 16, on poursuit la descente du câble 66 et on opère la connexion verticale du col de cygne 34 avec l'embout 33 de la conduite de production 2 au moyen d'un connecteur automatique et avec l'assistance d'un robot sous-marin.
Dans la huitième et dernière étape représentée en figure 17, on déballaste la bouée 8 de manière à obtenir la tension T1 en tête de colonne. Ceci peut se réaliser à partir du bateau de support 60 avec des moyens du type tuyau flexible, pompe et robot sous-marin. L'installation est alors terminée et les navires 50 et 60 peuvent quitter la zone.
Les connexions fluidiques en tête de colonne peuvent être faites dans un deuxième temps, selon des méthodes connues de l'homme du métier, une fois que l'installation de surface 3 a été acheminée sur place.
La méthode d'installation qui vient d'être expliquée présente plusieurs avantages.
Du fait que le bateau de pose 50 ne supporte que la moitié du poids pendu de la conduite 10, le reste étant supporté par le bateau de support io 60, il est possible d'utiliser des bateaux de capacité moindre.
Les tensions de pose sont plus faibles par rapport à la pose de conduite rigide déroulée, car les conduites flexibles peut supporter des courbures beaucoup plus faibles que les conduites rigides.
Il est possible de poser la conduite flexible pleine d'eau, soit totalement, soit partiellement, de façon à limiter l'effet de fond inverse pendant l'opération de pose, tant que la tension T n'a pas été appliquée.
En effet, la colonne d'eau à l'intérieur de la conduite flexible génère une pression interne qui s'oppose à la pression hydrostatique externe, et réduit l'effet de fond inverse. Il est ainsi possible, en ajustant le niveau 2o d'eau à l'intérieur de la conduite flexible, de réduire et de contrôler en permanence les contraintes axiales de compression supportées par la conduite flexible pendant l'opération de pose, de façon à éviter d'endommager ladite conduite. Une fois la tension T appliquée, la colonne montante peut être vidée par pompage de l'eau ayant servi lors des phases préalables d'installation, sans risque d'endommager la conduite flexible verticale. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en remplaçant l'eau par un autre fluide, tel par exemple qu'un hydrocarbure du type gazole. Cette solution serait particulièrement adaptée à la pose de conduites flexibles de transport de gaz, car la présence d'eau ou 3o d'humidité à l'intérieur de ces conduites est susceptible de provoquer ultérieurement la formation de bouchons d'hydrates.
La pose d'une conduite flexible montante selon la présente invention est beaucoup plus rapide que celle d'une tour hybride rigide, et la souplesse de la méthode permet la pose dahs des conditions de mer plus mauvaises que celles pour la pose de tours hybrides rigides.
La présente invention s'applique avantageusement à toute conduite flexible de type non lié, dès lors que celle-ci comprend au moins une gaine d'étanchéité interne et une paire de fils d'armure de traction.
Avantageusement la bouée est dimensionnée pour exercer sur la colonne montante une tension T supérieure à au moins 75% de l'effet de fond inverse maximum F développé en pied de colonne, et de manière encore plus avantageuse la bouée est dimensionnée pour exercer sur la io colonne montante une tension T supérieure à au moins 100% de l'effet de fond inverse maximum F développé en pied de colonne. Dans ce dernier cas, on est assuré que les armures de traction ne seront jamais mises en compression par l'effet de fond inverse et il est alors particulièrement avantageux de choisir de réaliser la conduite flexible avec des fils d'armure de traction à base de fibres en carbone. De telles nappes d'armure de traction offrent l'avantage de la légèreté mais résistent mal à
la compression. L'invention permet de les utiliser pour une colonne montante, moyennant ces précautions de tension élevée imposée par la bouée en tête de colonne.
De telles bouées à flottabilité élevée ne posent pas de problème particulier de faisabilité dans la mesure où elles sont déjà utilisées dans le domaine précité des tours hybrides. Les documents précités relatifs à ces tours hybrides décrivent en particulier des bouées qui peuvent être utilisées pour la présente invention.
La connexion fluidique en tête comporte généralement une conduite flexible de liaison en tête reliant le haut de la colonne montante aux équipements de surface, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires appropriés.
Une installation conforme à l'invention présente en outre 3o avantageusement une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- La gaine d'étanchéité interne de la conduite flexible verticale est polymérique.
- La conduite flexible verticale comprend une gaine polymérique externe d'étanchéité entourant les nappes de fils d'armure de traction.
- La pression hydrostatique s'applique directement sur la face externe de la gaine d'étanchéité interne.
5 - La conduite flexible verticale comprend, entre la gaine d'étanchéité
interne et les nappes de fils d'armure de traction, une voûte de pression interne réalisée par un enroulement hélicoïdal à pas court de fil, destinée à résister à la pression interne du fluide transporté.
- Les nappes de fils d'armure de traction de la conduite flexible io verticale comprennent des nappes de fils à base de fibres de carbone.
- La connexion mécanique en pied comporte au moins un câble d'ancrage reliant le bas de la conduite flexible verticale à un point d'ancrage fixé sur le fond marin. Ce câble d'ancrage peut être remplacé
par tout moyen de liaison équivalent, présentant à la fois une grande résistance mécanique en tension et une bonne souplesse en flexion, comme par exemple une chaîne ou un dispositif mécanique articulé.
- La connexion fluidique en pied comporte une conduite flexible de liaison en pied reliant le bas de la colonne montante à une conduite de production, par l'intermédiaire d'embouts et d'accessoires appropriés.
- La connexion fluidique en pied se fait par un embout inférieur de liaison fixé en bas de la conduite flexible verticale, et le au moins un câble d'ancrage mentionné ci-dessus est solidarisé à son extrémité supérieure audit embout inférieur de liaison.
- Ladite conduite flexible de liaison en pied est à flottabilité répartie.
- La bouée comporte un alésage central de passage de la conduite flexible verticale de diamètre supérieur à celui d'un embout supérieur de liaison de ladite conduite flexible verticale.
- La connexion mécanique en tête comporte un collier en plusieurs parties servant de butée entre la partie supérieure de la bouée et l'embout supérieur de liaison de la conduite flexible verticale.
- Un dispositif limiteur de courbure est prévu au bas de l'alésage de la bouée.
- La connexion mécanique en tête comporte une ligne de traction reliant le bas de la bouée à un élément solidaire du haut de la conduite flexible verticale.
- L'élément solidaire du haut de la conduite flexible verticale est un col de cygne servant à la connexion fluidique en tête.
L'invention concerne également un procédé de mise en place de l'installation conforme à l'invention.
Il s'agit donc d'un procédé de mise en place d'une installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible de type non lié, io ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine d'étanchéité interne et au moins deux nappes de fils d'armure de traction enroulées à pas long, la conduite devant être disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique en tête avec une bouée immergée et d'autre part une connexion mécanique en pied avec le fond marin, des connexions fluidiques devant être prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface et d'autre part avec des équipements de fond, le procédé étant caractérisé en ce qu'on dispose le pied de la colonne à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et 2o en ce qu'on dimensionne la bouée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
De manière avantageuse, on utilise pour la pose de l'installation un premier navire à partir duquel est déroulée la conduite flexible et un second navire de support de la bouée susceptible de supporter la bouée ballastée entre une position supérieure près de la surface et une position inférieure près du fond marin ; on attache une première extrémité de la conduite flexible déroulée à la bouée en position supérieure ; on déroule la conduite flexible de manière qu'elle pende entre le premier navire et le second navire ; on prolonge une seconde extrémité de la conduite flexible déroulée par un flexible de liaison muni d'un raccord fluidique ; on utilise une ligne d'accrochage pour accrocher ledit raccord au premier navire de pose et on déroule cette ligne d'accrochage pour faire descendre ledit raccord sensiblement au niveau de ladite seconde extrémité ; on fait descendre ledit raccord et ladite seconde extrémité jusqu'au voisinage du fond ; on procède à la connexion mécanique de ladite seconde extrémité
et à la connexion fluidique dudit raccord, et on déballaste la bouée.
Avantageusement, on remplit la conduite flexible d'eau pendant la pose.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, donnée à titre indicatif mais non i.o limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'une.
conduite flexible utilisable selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en élévation d'une installation de conduite montante conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle d'un premier mode de raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 4 est une vue de côté de la figure 3;
- la figure 5 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode de raccordement en pied de conduite montante ;
- la figure 6 est une vue schématique partielle d'un troisième mode de raccordement en pied de conduite montante, également représenté en figure2;
- la figure 7 est une vue schématique partielle d'un premier mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 8 est une vue schématique partielle d'un deuxième mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- la figure 9 est une vue schématique partielle d'un troisième mode de raccordement en tête de conduite montante ;
- les figures 10 à 17 sont des vues schématiques en élévation de 3o différentes étapes d'un procédé d'installation en mer de la conduite montante.
La Figure 1 illustre une conduite flexible non liée 10 du type à
passage non lisse (en anglais rough-bore ) et qui présente ici, de l'intérieur de la conduite vers l'extérieur une carcasse métallique interne 16, une gaine d'étanchéité interne 18 en matière plastique, une voûte de pression agrafée 20, deux nappes croisées d'armure de traction 22, 24, une couche anti-gonflement 25 réalisée par enroulement de bandes tissées en fibres de KevlarO, et une gaine externe d'étanchéité 26. La conduite flexible 10 s'étend ainsi longitudinalement selon l'axe 17. La carcasse interne métallique 16, la voûte de pression agrafée 20 et la io couche anti-gonflement 25 sont réalisées grâce à des éléments longitudinaux enroulés hélicoïdalement à pas court, tandis que les nappes croisées d'armure 22, 24 sont formées d'enroulements hélicoïdaux à pas long de fils d'armure.
Dans un autre type de conduite, à passage lisse (dite smooth-is bore en anglais), la carcasse métallique 16 est supprimée et une gaine intermédiaire d'étanchéité est généralement ajoutée entre d'une part la voûte de pression 20 et d'autre part la nappe interne d'armure 22.
La figure 2 représente schématiquement la colonne montante 1 de l'invention destinée à faire remonter un fluide, en principe un hydrocarbure 20 liquide ou gazeux, ou biphasique, entre une installation de production 2 située sur le fond marin 5 et une installatiori d'exploitation 3 flottant à la surface 4 de la mer. L'installation de production 2 représentée sur la figure 2 est une conduite, généralement rigide, reposant sur le fond marin et connue de l'homme du métier sous le nom de flowline . Cette conduite 25 assure la liaison entre d'une part le pied de la colonne montante 1, et d'autre part une installation sous-marine du type par exemple collecteur ( manifold en anglais) ou tête de puits.
La colonne montante se compose essentiellement d'une portion de conduite flexible verticale 10 tendue entre une connexion mécanique 6', 30 6", 6"' d'accrochage au fond marin 5 en pied de colonne et une connexion mécanique 7', 7" d'accrochage à une bouée immergée 8 en tête de colonne. Les moyens d'accrochage 7', 7" ont pour fonction de transmettre à la partie supérieure de la conduite flexible l'effort de flottabilité positive généré par la bouée 8. Les moyens d'accrochage mécanique 6', 6", 6"' ont pour fonction d'ancrer la base de la conduite flexible 10 au fond marin 5.
Des moyens de raccordement en tête 40, 12 prolongent la conduite flexible verticale 10 à partir de son extrémité supérieure et permettent la circulation du fluide transporté vers l'installation d'exploitation 3. Des moyens de raccordement en pied 33, 34, 30 assurent la continuité de l'écoulement du fluide transporté entre d'une part l'installation sous-io marine de production 2 et d'autre part la partie inférieure de la conduite flexible verticale 10.
Dans une installation typique envisagée par la Demanderesse, la profondeur P de la mer est supérieure à 1000 m et peut atteindre par exemple 3000 m. La bouée 8 est immergée à une hauteur P1 sous le niveau de la mer qui est typiquement comprise entre 100 m et 300 m pour échapper aux courants marins de surface. La bouée exerce en tête de colonne sur celle-ci une tension T1 dirigée vers le haut. Cette tension T1 est définie par la flottabilité de la bouée 8. Compte tenu du poids apparent de la conduite sous l'eau, la force de réaction T s'exerçant en pied de colonne au niveau de la fixation 6' a comme intensité la différence entre la tension T1 en tête et le poids apparent relatif de la colonne.
Selon la présente invention, la flottabilité de la bouée est définie de telle façon que la tension T résultante appliquée à la partie inférieure de la conduite flexible montante soit suffisamment importante pour compenser au moins 50%, avantageusement 75% et préférentiellement 100% de l'effort de compression axiale généré par l'effet de fond inverse.
Une des caractéristiques importantes de l'invention réside dans la flottabilité très élevée imposée à la bouée 8. Selon le mode de réalisation choisi, l'écart entre la flottabilité strictement nécessaire pour maintenir l'ensemble et celle convenant pour mettre en oeuvre la présente invention peut dépasser 70 000 daN, voire 100 000 daN ou même 200 000 daN, ce qui est une valeur très importanté, nettement supérieure aux marges de sécurité, de l'ordre de 10 000 daN à 20 000 daN qui auraient auparavant semblées suffisantes à l'homme du métier. Ce surdimensionnement important de la bouée a pour conséquence un surcoût important de la bouée, si bien qu'il avait par le passé été évité. La présente invention va à
5 l'encontre de ce préjugé. En augmentant la taille et le coût de la bouée, on obtient, contre toute attente, un gain plus important sur la structure de la conduite flexible verticale 10, cet avantage venant largement compenser l'inconvénient lié au surcoût de la bouée 8.
L'exemple suivant illustre ce point. Considérons une conduite flexible lo verticale 10 de transport de gaz, de diamètre intérieur 225 mm et de diamètre extérieur 335 mm, et s'étendant entre le fond marin situé à une profondeur P = 2000 m et la bouée 8 située à une profondeur P1 = 200 m.
Supposons par ailleurs qu'en cas d'arrêt de production, la pression à
l'intérieur de la conduite puisse chuter à 1 bar, dans la zone située à
15 proximité du fond mari,n, cette pression interne étant par ailleurs la pression minimale prévue pendant la durée de vie et de fonctionnement de la conduite. La pression hydrostatique en pied de conduite est sensiblement égale à 200 bar. Par conséquent, dans cet exemple :
Pext = 200 bar = 2 daN/mm2 Pint = 1 bar = 0, 01 daN/mm2 Dext = 335 mm Dint = 225 mm Si bien que l'effet de fond inverse maximum est :
F = (2 x Tr x 3352/4) - (0,01 x Tr x 2252/4) = 176 000 daN
Selon la pratique antérieure, la tension T induite en pied de colonne est faible, de l'ordre de 15 000 daN, si bien que la conduite aurait alors été dimensionnée pour résister à un effet de fond inverse de l'ordre de 180 000 daN. En pratique, dans cet exemple, ceci aurait conduit à choisir une structure comportant deux nappes d'armure de traction 22, 24 en 3o acier de 4 mm d'épaisseur chacune, ainsi qu'une couche anti-gonflement 25 en KevlarO de forte épaisseur. Les fils en acier constituant les nappes d'armure de traction auraient de plus présenté un fort ratio largeur sur épaisseur, typiquement 20 mm par 4 mm, pour éviter le flambement latéral des nappes d'armure de traction. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lorsqu'elle est pleine de gaz, aurait alors été de l'ordre de 100 daN par mètre linéaire, ce qui aurait conduit à un poids total de 180 000 daN. La bouée supporte non seulement le poids apparent dans l'eau de la conduite 10, mais aussi celui d'une partie des moyens de raccordement en pied 30, ainsi que sensiblement, la moitié de celui des moyens de raccordement en tête 40, 12, l'autre moitié étant supportée par l'installation d'exploitation 3. Dans cet exemple, ces suppléments de poids io à supporter sont de l'ordre de 20 000 daN. Par conséquent, selon la pratique antérieure, la bouée aurait été dimensionnée pour avoir une flottabilité permettant de générer en tête de colonne une tension :
T1 = 180 000 + 20 000 + 15 000 = 215 000 daN
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la tension T en pied de colonne est égale à 50% de F, c'est-à-dire à 88 000 daN. La conduite flexible 10 doit dans ce cas être dimensionnée pour résister à un effort de compression axiale de l'ordre de 90 000 daN au lieu des 180 000 daN précités selon l'art antérieur. Cette forte diminution de la compression axiale permet dans cet exemple de choisir une structure comportant deux 2o nappes d'armure de traction 22, 24 en acier de 3 mm d'épaisseur chacune, et constituées de fils classiques ne présentant pas un fort ratio largeur sur épaisseur. L'épaisseur de la couche anti-gonflement 25 en KevlarO est dans ce cas quasiment deux fois plus faible que celle selon l'art antérieur précité. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lorsqu'elle est pleine de gaz, est de l'ordre de 90 daN par mètre linéaire, c'est-à-dire sensiblement inférieur à celui d'une conduite selon l'art antérieur précité.
Le poids total dans l'eau. de la conduite 10 avoisine donc 162 000 daN.
Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la bouée doit être dimensionnée pour avoir une flexibilité permettant de générer en tête 3o de colonne une ténsion :
T1 = 162 000 + 20 000 + T = 162 000 + 20 000 + 88 000 = 252 000 daN
Selon ce mode de réalisation de l'invention, la flottabilité de la bouée 8 a donc dans cet exemple été augmentée de 37 000 daN en valeur absolue ou 17% en valeur relative par rapport à la pratique antérieure. Cet inconvénient est compensé par le gain sur la structure de la conduite.
Selon un deuxième mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, la tension T en pied de colonne est égale à F, c'est-à-dire à
176 000 daN.
Dans ce cas, dans la mesure où l'effet de fond inverse F est totalement compensé et où on évite de mettre les nappes d'armure de io traction 22, 24 en compression, il est possible et avantageux de choisir pour celles-ci des fils en matériau composite, préférentiellement à base de fibres de carbone. On pourra se référer par exemple au document US
6 620 471 au nom de Demanderesse, faisant connaitre des rubans composites comportant des fibres composites noyées dans une matrice thermoplastique. De telles armures apportent une grande résistance à la traction et conduisent à une conduite flexible plus légère que des armures métalliques. En revanche, comme elles résistent mal à la compression, on ne peut les employer que dans des conditions où le risque de mise en compression est conjuré, ce qui est le cas avec l'invention qui permet de toujours maintenir les armures en traction.
L'emploi d'armures de traction en fibres de carbone en lieu et place d'armures en acier permet non seulement d'alléger la conduite, ce qui facilite sa manutention et son installation en mer, mais aussi d'améliorer sa résistance à la corrosion et d'éviter les phénomènes de fragilisation par l'hydrogène rencontrés avec les aciers à hautes caractéristiques mécaniques. L'absence de compression axiale permet aussi de supprimer la couche anti-gonflement 25 en KevlarO, ce qui permet une économie importante. Le poids dans l'eau d'une telle conduite, lors qu'elle est pleine de gaz, est dans cet exemple de l'ordre de 60 daN par mètre linéaire, ce 3o qui représente un gain de poids de 40 % par rapport à l'art antérieur précité. Le poids total dans l'eau de la conduite 10 avoisine donc 108 000 daN. Par conséquent, selon ce mode de réalisation de l'invention, la bouée doit être dimensionnée pour avoir une flottabilité permettant de générer en tête de colonne une tension :
T1 = 108 000 + 20 000 + T = 108 000 + 20 000 + 176 000 = 304 000 daN
La flottabilité de la bouée a donc été augmentée de 89 000 daN en valeur absolue ou 41 % en valeur relative par rapport à la pratique antérieure.
Cet inconvénient est largement compensé par le gain sur la structure de la conduite et sur sa facilité d'installation en mer, du fait du moindre poids de la conduite.
On décrira maintenant plus en détail la réalisation de certains des io équipements de l'installation conforme à l'invention.
Les figures 2 à 6 représentent différents moyens de raccordement en pied. Ces moyens comportent une conduite 30 de liaison en pied, généralement de courte longueur, en pratique moins de 100m. Cette conduite de liaison en pied doit être dimensionnée pour résister à la totalité l'effet de fond inverse. Cette conduite de liaison en pied peut comporter un ou plusieurs tronçons de conduite rigide ou flexible éventuellement combinés entre eux. Elle peut aussi comporter un dispositif mécanique de type joint flexible, dispositif dont la fonction est d'assurer la continuité de l'écoulement tout en autorisant des degrés de liberté en flexion similaires à ceux d'une conduite flexible.
Avantageusement la conduite 30 de liaison en pied est une conduite flexible renforcée selon les techniques précitées de l'art antérieur, afin de résister à l'effet de fond inverse et de supprimer le risque de flambement latéral des nappes d'armure de traction. La structure de cette conduite flexible 30 de liaison en pied est généralement très différente de celle de la conduite flexible verticale 10. Sur la figure 2 et la figure 6, la conduite flexible 30 est raccordée à son extrémité inférieure par un embout 32 à
l'embout 35 d'une manchette rigide 34 permettant un raccordement par le haut avec un connecteur vertical 33 placé à l'extrémité de la conduite de production ( flowline ) 2 et coopérant avec un embout adapté 36 de la manchette 34. L'extrémité supérieure du flexible 30 comporte un embout 31 raccordé à l'embout inférieur 6' de la conduite flexible 10, lequel est fixé à un point d'ancrage 6"' par un câble 6". Le point d'ancrage 6"' est solidaire du fond marin 5. II est dimensionné pour résister à une tension d'arrachement supérieure à la tension T exercée par le pied de la colonne. Le point d'ancrage 6"' est avantageusement une ancre à succion ( succion pile en anglais) ou une pile d'ancrage par gravité.
La figure 3 montre une variante de raccordement horizontal de la conduite 30 directement dans un connecteur horizontal 33 terminant la conduite de production 2. La figure 4 montre que l'embout inférieur 6' est en fait maintenu par deux câbles 6" fixés à leur extrémité supérieure sur io deux de ses côtés, et à leur extrémité inférieure sur une attache articulée 28 du point d'ancrage 6"'.
La figure 5 montre une variante utilisant une conduite flexible 30 de liaison en pied, selon laquelle le flexible 30 est à flottabilité répartie, grâce à des bouées 34 entourant le flexible ; ceci a l'avantage de permettre de supporter de larges débattements angulaires de la conduite 10 de part et d'autre de la position verticale.
On a représenté sur les figures 7 à 9 différentes variantes des moyens de raccordement en tête. La figure 7 montre que la conduite flexible 10 présente un embout supérieur 7' sur lequel se raccorde l'embout inférieur 39 d'une conduite rigide 40 en col de cygne dont l'embout supérieur 41 est raccordé à l'embout inférieur 13 de la conduite flexible 12 de liaison en tête connectée à l'installation de surface. La conduite flexible 12 de liaison en tête est généralement appelée jumper par l'homme du métier. Un collier 7" en deux parties faisant butée empêche l'embout 7' de descendre à travers l'alésage 37 de la bouée 8. L'alésage 37 possède à sa partie inférieure une forme évasée 38 faisant office de limiteur de courbure en cas de débattement angulaire de la conduite 10 par rapport à la bouée. La bouée est avantageusement une structure mécano soudée et compartimentée ; des chambres étanches remplies d'air peuvent être ballastées et déballastées avec de l'eau, de façon à faire varier la flottabilité de la bouée.
Dans la variante représentée en figure 8, le col de cygne est supprimé et remplacé par des moyens répartis de flottabilité 44 (bouées entourant le jumper flexible 12) ayant pour effet de donner au jumper flexible 12 la forme d'un S. L'embout 13 du jumper 12 est 5 donc directement fixé à l'embout 7' de la conduite 10. On a aussi remplacé l'évasement inférieur 38 de l'alésage de la bouée 8 par un limiteur de courbure 42 ( bend stiffener en anglais) ajouté en partie inférieure de bouée.
Dans la variante représentée en figure 9, la bouée 8 est accrochée iô au-dessus de la colonne montante, au moyen d'une chaîne 45 (ou équivalent) fixée dans un anneau 47 à la bouée et dans un anneau 46 au col de cygne 40.
On décrira maintenant, en se référant aux figures 10 à 17, une méthode d'installation de l'installation conforme à l'invention. Cette 15 méthode utilise deux bateaux, un bateau 50 de pose de conduites flexibles et un bateau 60 de support.
Le bateau 50 comporte une bobine 52 ou un panier stockant la conduite flexible à poser sous forme enroulée (ou plus exactement une partie de la conduite à enrouler), permettant de dérouler du flexible 10 en 20 le faisant passer sur une poulie de renvoi 54 puis par des moyens d'entraînement 56, avantageusement de type quadri chenille verticale, situés au-dessus du puits central 51 du bateau. Un treuil 53 muni d'un câble annexe 66 sera décrit plus loin (cf. figures 14 à 16) pour la fin de la pose.
Le bateau 60 comporte une grue principale 62 ayant la capacité de lever la bouée 8 grâce à un câble 63, et un moyen annexe de traction 64, de type grue ou treuil.
Dans la première étape représentée en figure 10, un câble 57, destiné à tirer la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8, est préalablement fixé à l'embout supérieur 7' de la conduite 10 et tiré à
travers la bouée 8 jusqu'au treuil ou grue 64.
Dans la deuxième étape représentée en figure 11, on tire à l'aide du treuil 64 la conduite 10 jusqu'à l'intérieur de la bouée 8; simultanément, le bateau de pose dévide la longueur nécessaire de flexible 10.
Dans la troisième étape représentée en figure 12, on solidarise l'embout 7' (qui est passé à travers l'alésage 37 de la bouée 8) avec la bouée à l'aide du collier en deux parties 7".
Dans la quatrième étape représentée en figure 13, on déconnecte le treuil 64 et son câble 57 de l'embout 7'.
On ne sortirait pas du cadre de la présente invention si, au cours de io ces quatre étapes, le treuil 64 utilisé comme moyen annexe de traction était fixé non pas sur le bateau 60, mais plutôt sur la partie supérieure de la bouée 8. Dans ce cas, à la fin de la quatrième étape, le treuil 64 serait avantageusement désolidarisé de la bouée 8 pour être récupéré et chargé
sur le bateau 60.
On dévide alors complètement le flexible 10 du bateau de pose 50, puis là conduite flexible 30 qui lui est attachée par les embout 6', 31, puis le col de cygne rigide 34 attaché par les embouts 32, 35.
Dans la cinquième étape représentée en figure 14, on accroche un câble 66 au col de cygne 34, ce qui permet de terminer la descente en 2o dévidant le câble 66 qui se déroule du treuil 53 en passant sur une poulie de renvoi, par exemple, la poulie 54 déjà utilisée pour le renvoi du flexible.
Dans la sixième étape représentée en figure 15, on descend la bouée 8 avec la grue 62, la bouée étant ballastée. On opère la connexion assistée par robot sous-marin (de type connu sous le nom de ROV ) du câble d'ancrage 6" au point d'ancrage 6"', qui a été pré installé.
Dans la septième étape représentée en figure 16, on poursuit la descente du câble 66 et on opère la connexion verticale du col de cygne 34 avec l'embout 33 de la conduite de production 2 au moyen d'un connecteur automatique et avec l'assistance d'un robot sous-marin.
Dans la huitième et dernière étape représentée en figure 17, on déballaste la bouée 8 de manière à obtenir la tension T1 en tête de colonne. Ceci peut se réaliser à partir du bateau de support 60 avec des moyens du type tuyau flexible, pompe et robot sous-marin. L'installation est alors terminée et les navires 50 et 60 peuvent quitter la zone.
Les connexions fluidiques en tête de colonne peuvent être faites dans un deuxième temps, selon des méthodes connues de l'homme du métier, une fois que l'installation de surface 3 a été acheminée sur place.
La méthode d'installation qui vient d'être expliquée présente plusieurs avantages.
Du fait que le bateau de pose 50 ne supporte que la moitié du poids pendu de la conduite 10, le reste étant supporté par le bateau de support io 60, il est possible d'utiliser des bateaux de capacité moindre.
Les tensions de pose sont plus faibles par rapport à la pose de conduite rigide déroulée, car les conduites flexibles peut supporter des courbures beaucoup plus faibles que les conduites rigides.
Il est possible de poser la conduite flexible pleine d'eau, soit totalement, soit partiellement, de façon à limiter l'effet de fond inverse pendant l'opération de pose, tant que la tension T n'a pas été appliquée.
En effet, la colonne d'eau à l'intérieur de la conduite flexible génère une pression interne qui s'oppose à la pression hydrostatique externe, et réduit l'effet de fond inverse. Il est ainsi possible, en ajustant le niveau 2o d'eau à l'intérieur de la conduite flexible, de réduire et de contrôler en permanence les contraintes axiales de compression supportées par la conduite flexible pendant l'opération de pose, de façon à éviter d'endommager ladite conduite. Une fois la tension T appliquée, la colonne montante peut être vidée par pompage de l'eau ayant servi lors des phases préalables d'installation, sans risque d'endommager la conduite flexible verticale. On ne sortirait pas du cadre de la présente invention en remplaçant l'eau par un autre fluide, tel par exemple qu'un hydrocarbure du type gazole. Cette solution serait particulièrement adaptée à la pose de conduites flexibles de transport de gaz, car la présence d'eau ou 3o d'humidité à l'intérieur de ces conduites est susceptible de provoquer ultérieurement la formation de bouchons d'hydrates.
La pose d'une conduite flexible montante selon la présente invention est beaucoup plus rapide que celle d'une tour hybride rigide, et la souplesse de la méthode permet la pose dahs des conditions de mer plus mauvaises que celles pour la pose de tours hybrides rigides.
Claims (20)
1) Installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible (10) de type non lié, ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine d'étanchéité interne (18) et deux nappes (22, 24) de fils d'armure de traction enroulées à pas long, la conduite (10) étant disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique (7', 7", 44) en tête avec une bouée immergée (8) et d'autre part une connexion mécanique (6', 6", 6"') en pied avec le fond marin (5), des connexions fluidiques (12, 30) étant prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface (3) et d'autre part avec des équipements de fond (2), caractérisée en ce que le pied de la colonne est à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et en ce que la bouée (8) est dimensionnée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
2) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bouée (8) est dimensionnée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 75% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
3) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la bouée (8) est dimensionnée pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 100% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
4) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la gaine d'étanchéité interne (18) est polymérique.
5) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la conduite (10) comprend une gaine polymérique externe d'étanchéité (26) entourant les nappes de fils d'armure de traction (22, 24).
6) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la pression hydrostatique s'applique directement sur la face externe de la gaine d'étanchéité interne (18).
7) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la conduite (10) comprend, entre la gaine d'étanchéité interne (18) et les nappes de fils d'armure de traction (22, 24), une voûte de pression interne (20) réalisée par un enroulement hélicoïdal à pas court de fil, destinée à résister à la pression interne du fluide transporté.
8) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les nappes de fils d'armure de traction (22, 24) comprennent des nappes de fils à base de fibres de carbone.
9) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la connexion mécanique en pied comporte au moins un câble d'ancrage (6") reliant le bas de la conduite à un point d'ancrage (6"') fixé sur le fond marin (5).
10) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la connexion fluidique en pied comporte une conduite flexible de liaison en pied (30) reliant le bas de la colonne à une conduite de production (2).
11) Installation selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que la connexion fluidique en pied se fait par un embout inférieur (6') de liaison fixé en bas de la conduite (10), et en ce que le au moins un câble d'ancrage (6") est solidarisé à son extrémité
supérieure audit embout inférieur (6') de liaison.
supérieure audit embout inférieur (6') de liaison.
12) Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ladite conduite flexible de.liaison en pied (30) est à flottabilité répartie.
13) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la bouée (8) comporte un alésage central (37) de passage de la conduite (10) de diamètre supérieur à celui d'un embout supérieur (7') de liaison de la conduite (10).
14) Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la connexion mécanique en tête comporte un collier (7") en plusieurs parties servant de butée entre la partie supérieure de la bouée (8) et l'embout supérieur (7') de liaison de la conduite (10).
15) Installation selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce qu'un dispositif limiteur de courbure (38, 42) est prévu au bas de l'alésage (37) de la bouée (8).
16) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que la connexion mécanique en tête (7', 44) comporte une ligne de traction (44) reliant le bas de la bouée (8) à un élément (40) solidaire du haut de la conduite (10).
17) Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'élément (40) solidaire du haut de la conduite est un col de cygne servant à la connexion fluidique en tête.
18) Procédé de mise en place d'une installation de colonne montante réalisée avec une conduite flexible (10) de type non lié, ladite conduite comprenant de l'intérieur vers l'extérieur au moins une gaine d'étanchéité interne (18) et deux nappes (22, 24) de fils d'armure de traction enroulées à pas long, la conduite (10) devant être disposée verticalement entre d'une part une connexion mécanique (7', 7", 44) en tête avec une bouée immergée (8) et d'autre part une connexion mécanique (6', 6", 6"') en pied avec le fond marin, des connexions fluidiques (12, 30) devant être prévues en tête et en pied pour relier la colonne montante d'une part avec des équipements de surface (3) et d'autre part avec des équipements de fond (2), caractérisé en ce qu'on dispose le pied de la colonne à au moins 1000 m de profondeur où il subit un effet de fond inverse maximum calculable F et en ce qu'on dimensionne la bouée (8) pour entraîner en pied de la colonne montante une tension de réaction T supérieure à au moins 50% de l'effet de fond inverse maximum calculable F développé en pied de colonne.
19) Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'on utilise pour la pose de l'installation un premier navire (50) à partir duquel est déroulée la conduite flexible (10) et un second navire (60) de support de la bouée (8) susceptible de supporter la bouée ballastée (8) entre une position supérieure près de la surface et une position inférieure, en ce qu'on attache une première extrémité (7') de la conduite flexible (10) déroulée à la bouée (8) en position supérieure, en ce qu'on déroule la conduite flexible de manière qu'elle pende entre le premier navire (50) et le second navire (60), en ce qu'on prolonge une seconde extrémité (6') de la conduite flexible (10) déroulée par un flexible de liaison (30) muni d'un raccord fluidique (34), en ce qu'on utilise une ligne d'accrochage (66) pour accrocher ledit raccord (34) au premier navire de pose (50) et en ce qu'on déroule cette ligne d'accrochage (66) pour faire descendre ledit raccord (34) sensiblement au niveau de ladite seconde extrémité (6'), en ce qu'on fait descendre ledit raccord (34) et ladite seconde extrémité (6') jusqu'au voisinage du fond (5), en ce qu'on procède à la connexion mécanique de ladite seconde extrémité (6') et à la connexion fluidique dudit raccord (34), et en ce qu'on déballaste la bouée (8).
20) Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'on remplit la conduite flexible (10) d'eau pendant la pose.
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