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EP1395731B1 - Installation de liaison d'une conduite sous-marine reliee a un riser - Google Patents

Installation de liaison d'une conduite sous-marine reliee a un riser Download PDF

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Publication number
EP1395731B1
EP1395731B1 EP02748946A EP02748946A EP1395731B1 EP 1395731 B1 EP1395731 B1 EP 1395731B1 EP 02748946 A EP02748946 A EP 02748946A EP 02748946 A EP02748946 A EP 02748946A EP 1395731 B1 EP1395731 B1 EP 1395731B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
riser
vertical
resting
base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02748946A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1395731A1 (fr
Inventor
François-Régis PIONNETTI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saipem SA
Original Assignee
Saipem SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saipem SA filed Critical Saipem SA
Publication of EP1395731A1 publication Critical patent/EP1395731A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1395731B1 publication Critical patent/EP1395731B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/01—Risers
    • E21B17/017—Bend restrictors for limiting stress on risers

Definitions

  • the present invention relates to a bottom-surface connection installation at least one underwater pipe installed at great depth of the tour-hybrid type.
  • the technical field of the invention is the field of manufacturing and the installation of risers or "risers” of production for extraction underwater oil, gas or other soluble or fuse material or a suspension of mineral material from wellhead immersed for the development of production fields in the open sea off the coast of ribs, still called “riser”.
  • the main and immediate application of the invention is in the field of oil production.
  • a floating support generally comprises anchoring means for remaining in position despite the effects of currents, winds and swell. It comprises also in general means of storage and processing of oil as well as means of unloading to oil tankers, the latter presenting at regular intervals to carry out the removal of production.
  • the name of these floating supports is the Anglo-Saxon term “Floating Production Storage Offloading "(meaning” floating storage medium, production and unloading "), the abbreviated term” FPSO "will be used in the whole of the following description.
  • the set is commonly called “Hybrid Tour” because it involves two technologies, on the one hand a vertical part, the tower, in which the riser is consisting of rigid pipes, on the other hand the upper part of the riser consisting of Chainset hoses which provide the connection to the floating support.
  • the present invention relates more particularly to the known domain of type links having a vertical hybrid tower anchored to the bottom and composed of a float located at the top of a vertical riser, the latter being connected by a pipe, in particular a flexible pipe taking by its own weight the Shape of a chain from the top of the riser to a floating support installed on the surface.
  • WO 00/49267 which describes a tower whose float is at a depth greater than half-height of water and whose catenary link to the surface vessel is made using rigid pipes of great thickness.
  • the tower thus described, requires at the level of its base, flexible connecting cuffs allowing connecting the lower end of the vertical risers of said tower to the pipe underwater resting on the bottom, so as to absorb the movements resulting from the expansions due to the temperature of the transported fluid.
  • the anchoring system comprises a vertical tendon consisting of either a cable or a metal bar, or still a conduct stretched at its upper end by a float.
  • the lower end of the tendon is attached to a base resting at the bottom.
  • said tendon has guiding means distributed along its entire length through which pass said vertical risers.
  • Said base can be placed simply on the bottom of the sea and stay in place by its own weight, or remain anchored by means of batteries or any other device suitable for maintaining it square.
  • the lower end of the vertical riser is adapted to be connected to the end of an angled sleeve, movable, between a high position and a low position, relative to said base, to which this cuff is suspended and associated with a return means bringing it back to a high position the absence of the riser.
  • This mobility of the bent sleeve makes it possible to absorb the variations in the length of the riser under the effects of temperature and pressure.
  • a stop device integral with it, comes lean on the support guide installed at the head of the float and thus maintain the all the riser in suspension.
  • thermal insulation systems are known that allow to achieve the required level of performance and resist the pressure of the bottom from the sea which is of the order of 150 bars at 1500m depth.
  • pipe-in-pipe a pipe carrying the hot fluid installed in an external protective line, the space between two pipes being either simply filled with insulation, confined or not confined empty, or simply empty.
  • Many other materials have been developed to provide high performance insulation, some of they being pressure resistant, simply surround the hot and are generally confined within a flexible or rigid outer casing, in equipressure and whose main function is to maintain over time a substantially constant geometry.
  • the problem posed according to the present invention is to be able to realize and install such bottom-to-surface connections for large subsea depths, such as beyond 1000 meters for example, and of type comprising a vertical tower and whose transported fluid must be maintained above a minimum temperature until reaching the surface, minimizing components subject to heat loss, avoiding the disadvantages created by the clean thermal expansion, or differential, of the various components of said tower so as to withstand the extreme stresses and phenomena of accumulated fatigue over the lifetime of the structure, which is currently years.
  • Another problem of the present invention is to provide an installation of cross-hybrid type bottom-surface connection whose anchoring system is of a high resistance and low cost, including the method of setting up different constituent elements be simplified to the extreme and also a weak cost.
  • an object of the present invention is to provide an installation which can be prefabricated entirely on land, particularly as regards the assembly of the rigid pipes intended to constitute said pipes resting at the bottom of the sea and said risers vertical.
  • another object of the present invention is to provide an installation whose installation at the bottom of the sea does not require the implementation automatic connector and preferably no flexible joints to ball joint in the lower part of the tower.
  • the automatic connectors are connectors whose locking between the male part and the female part complementary is designed to be done very simply at the bottom of the sea at using a robot controlled from a ROV without the need for intervention direct manual staff. These automatic connectors as well as the joints Flexible ball joints are very expensive.
  • Another problem underlying the invention is to provide an installation which allows to intervene inside the underwater pipe resting at the bottom of sea, by a process of coiled-tubing type from the surface and from the upper end of the vertical riser.
  • Said first flexible or reduced-stiffness element present so an elbow-shaped curvature turned upward and the curvature is maintained in a substantially vertical plane when said platform rests substantially horizontally on the bottom of the sea.
  • bow two short straight sections of pipe exposed at 90 °, connected to each other by a curved section presenting at rest a shape of an arc of a circle, preferably with a radius of curvature, in particular a radius of curvature of less than 10 m, more particularly of the order of 5 to 10 m.
  • a said first flexible driving element of length of 7.5 to 15m.
  • the tower comprising several risers is stretched by a central tendon which suspends a plurality of vertical risers, and the vertex of the tendon stretched by a float constitutes a point of reference at a fixed altitude, with variation of the apparent overall weight of risers and their contents; and the whole movement was absorbed by the angled connection cuffs at the bottom, expensive parts and difficult to make and install.
  • the point substantially fixed at altitude is at the bottom of the tower at the lower end of the riser at connection level with said first flexible pipe element, which allows to remove the angled connecting sleeves, the movements differentials between the risers being absorbed by the float (s) which is (are) free (s) to move vertically at the top of each of the said (s) riser (s).
  • the axis of said rigid pipe portion is therefore substantially vertical and therefore fixed when held in position by said upper structure, said axis being preferably perpendicular to said platform.
  • This preferred embodiment with a said second driving element flexible avoids the use of a flexible joint type ball joint.
  • a flexible seal allows a significant variation of the angle ⁇ between the axis of the tower and the axis of the riser part vertically attached to the base, without causing significant constraints in the pipe portions located on either side of said flexible seal.
  • This seal flexible can be in a known manner is a spherical ball joint with joints seal, a laminated patella consisting of leaf sandwiches of elastomers and adhered sheets, able to absorb movements significant angular distortion of the elastomers, while maintaining a perfect seal due to the absence of friction seals.
  • said base comprises mounting brackets adapted to maintain a fixed position relative to the base the end of said underwater pipe resting at the bottom.
  • said first flexible pipe element in the area of the elbow, presents a controlled geometry that is found perfectly stabilized, locking at the connection between the riser vertical and said first flexible element taking up all the tension vertically created by the float head of the riser, said voltage up to 100 T.
  • the first flexible pipe element therefore no longer supports any movement or effort, both from the bottom-up conduct and from the part of the vertical riser.
  • said base comprises guiding elements that allow translational movement longitudinal along its axis XX 'of the end of said underwater pipe resting at the bottom.
  • Said guide means prevent displacement in translation in another direction, that is to say in a direction comprising a component vertical YY 'and / or a lateral component ZZ'.
  • the geometry of the elbow remains controlled even if it is not completely stabilized.
  • said guiding elements comprise rollers or friction pads on which said driving end resting at the bottom can slide in longitudinal translation in the axis XX 'of said end, thus avoiding transferring the thrust forces on the base, forces due to the background effect (internal pressure in the pipe), as well as the thermal expansion of said pipe.
  • said base comprises a so-called upper structure secured to a said platform, said upper structure forming a console in elevation with respect to said platform, said platform preferably being secured to said guide means preferably consisting of still in rollers distributed on both sides of the base of said console resting on said platform, and said console comprises in its part in elevation relative to said platform a particular lock type flange or clamp for locking said lower end of said riser.
  • said guide means also comprise anti-rotation devices that prevent rotation of the end of the pipe around its longitudinal axis XX '.
  • anti-rotation devices therefore allow to avoid that the torsion phenomena generated at the level of the underwater pipe during the expansion or retraction movements of the underwater pipe under the effect of pressure or temperature, are transmitted to the flexible structure of said first elbow-shaped flexible pipe element.
  • the anti-rotation device prevents torsional damage to the flexible portion in the form of an elbow during said movements of expansion or retractation of the underwater pipe.
  • said base comprises a so-called upper structure secured to a said platform, said upper structure forming a console in elevation with respect to said platform, said platform preferably being integral with said guide means preferably consisting of still in rollers distributed on both sides of the base of said console resting on said platform, and said console comprises in its part in elevation relative to said platform a particular lock type flange or clamp for locking said lower end of said riser.
  • said base comprises a platform, which cooperates with stabilizing elements including dead bodies on top said platform and / or suction anchors passing through said platform to be buried in the ground.
  • the installation according to the present invention is advantageous because the quasi entire hybrid tower can be prefabricated ashore, then towed on site, and, once the base is stabilized by dead bodies or suction anchors, the portion of riser is placed in a substantially vertical position by simple deballasting of the head float, or simply by pulling from the surface, avoiding the use of automatic connectors and Flexible ball joints, the latter being indispensable in the prior art.
  • Another advantage of the present invention is also the reduction the overall cost, resulting from the removal of any flexible joint and any automatic connector between the different portions of pipes as well as the removal of the angled sleeves used in the prior art to connect the vertical riser and the resting pipe at the bottom of the sea, whose costs may represent in the prior art more than 25% of the total cost of the installation.
  • the installation according to the invention makes it possible to eliminate all these elements of the art previous, ie the connecting cuffs, the connectors automatic and flexible joints-joints and provide the best cost, a riser tower incorporating the most efficient insulation technologies.
  • the installation according to the invention thus makes it possible to eliminate all these disadvantages of the prior art and to provide at the best cost, a riser tower incorporating the the most efficient insulation technologies.
  • the two so-called underwater pipes resting on the bottom of the sea are assembled into a bundle within a single envelope of flexible protection for confining an insulating material, preferably paraffin or a gelled compound, surrounding said conduits.
  • an insulating material preferably paraffin or a gelled compound
  • first and second vertical risers not assembled in bundles are maintained substantially parallel by means of a sliding connection system permitting the axial displacements of said first riser relative to said second riser, said connecting system comprising a tubular collar fixed around said first riser, said collar being rigidly connected to a sliding tubular ring freely around said second riser, preferably a plurality of said collars of the same sliding connection system being distributed along each of said risers alternately with said rings of another said linkage system on a even says riser.
  • This sliding link system allows risers to move vertically but not transversely, ie they remain substantially equidistant in a plane perpendicular to their axis.
  • said vertical riser comprises in its upper part above said second flexible pipe element, a insulated pipe system consisting of a set of two pipes coaxial pipes comprising an inner pipe and an outer pipe, a fluid or insulating material, preferably a phase change material of the type paraffin or a gelled compound being preferably placed between the two said conducted, or by maintaining a high vacuum between them.
  • junctions between the different components of the float assembly, flexible pipe and riser vertical being located not far from the surface are subject to the combined effects of swell and current.
  • the support of surface being subjected not only to the swell and the current, but also to effects of the wind, the overall movements create at the level of the singular point the junction between riser and flexible pipe, considerable effort in the various mechanical constituents.
  • the float exerts traction vertical upwards, which may vary from a few tens of tons to several hundreds of tons or even more than 1000 tons, depending on the depth water that can reach 1500m, or even 3000m, and depending on the internal diameter of the conduct which can vary from 6 "to 14", even 16 ".
  • the efforts to be transmitted are and the overall movements are clocked up, inter alia, rhythm of the swell, ie with a period varying typically, in period agitated, between 8 and 20 seconds.
  • Combined fatigue cycles over the lifetime of the field thus reach values exceeding several tens of millions of cycles.
  • an installation according to the present invention comprises advantageously at least one float, preferably a group comprising a plurality of floats installed at the top of each, at least two so-called risers vertically, arranged in such a way that said floats are held together with the means of a structure supporting them and allowing vertical displacements relative to each of said groups of floats relative to one another, in particular displacements generated by differential expansion.
  • said floats are therefore free to move vertically but they are enough spaced so that, according to the deformations of their supporting structures, all physical contact of groups of floats between them is avoided.
  • Another problem according to the present invention is to allow a easy intervention inside said riser from the surface, in particular from allow the inspection or cleaning of the vertical riser, by introducing a rigid tube from the upper end of the float, passing through said connection device between float and vertical riser.
  • these bottom-surface bonds convey a polyphasic fluid, it is at say a fluid composed of crude oil, water and gas.
  • the local pressure decreases and the gas bubbles then increase by volume, creating instability phenomena of the fluid vein that can lead to big jolts.
  • the gas is found in the high part and the oil-water mixture is trapped in the low points, it is at say in the lower part of the hose area in chain, as well as in the lower part of the substantially vertical section of the riser.
  • the multiphase mixture consisting of crude oil, water and gas, tendency, when the temperature falls below a value between 30 and 40 ° C, to create two types of caps that may block production.
  • a first type of plug is due to the formation of hydrates from the phase gaseous in the presence of water, another type is due to the freezing of paraffin contained in varying proportions in the crude oil of certain fields oil companies, particularly in West Africa.
  • coil-tubing consisting in pushing a rigid tube of small diameter, in general 20 to 50mm, through the pipe.
  • Said rigid tube is stored wound by simple bending on a drum, then untwisted when unwrapped.
  • Said tube can measure several thousand meters in one length.
  • the end of the tube located at the barrel of the storage drum is connected via a joint with a pumping device capable of injecting a high-pressure liquid and at high temperature.
  • the gooseneck device includes a straight portion upper which ensures the junction between said vertical riser and said third flexible pipe connected to said float.
  • a curved elbow-shaped derivation allows the junction between the end of said vertical riser and the end of said flexible pipe itself connected to said floating support.
  • the ends of said curve being substantially tangent to the curve of the chain constituted by the flexible pipe which provides the connection to the floating support, and substantially tangent with said right part of the gooseneck device.
  • the main advantage of the installation according to the invention is that all elements are prefabricated on the ground before being installed. They can be mounted to check that all elements cooperate properly, including including the locking means; thus, the assembly of the installation is greatly simplified and the operational time of installation vessels reduced to a minimum.
  • underwater pipes were then, after installation of the risers, bent connection were manufactured on the basis of high precision metrology realized thanks to the ROVs.
  • the sleeve, prefabricated on the ground or on site can measure several tens of meters and must then be installed by the same ROV, which represents a considerable operational time, so a very low cost high because of the sophistication of specialized installation vessels.
  • Gain realized by the device and the method according to the invention can be divided into several installing ship days as well as removing connectors indispensable automatic at each end of the cuff prefabricated, which represents a considerable cost reduction.
  • Figure 2 shows an installation according to the invention with a tower in a vertical position relative to the base resting at the bottom.
  • the base comprises a platform 15 1 constituted by a flat support placed at the bottom of the sea whose length, for illustrative purposes, can represent 30 to 50 m, and its width 5 to 10m.
  • the base comprises an upper structure in the form of a console 15 2 in elevation with respect to the platform 15 1 whose height, for illustrative purposes, may exceed 10 m.
  • Said bracket 15 2 integral with said platform, consists of a structure that straddles the end of the submarine pipe 11 resting at the bottom of the sea.
  • the underwater pipe 11 resting at the bottom of the sea is made integral with the platform 15 1 by flange-type mounting brackets or conventional clamping collar 16 1 which hold it fixed relative to the base.
  • These attachment supports 16 1 disposed on said platform are spaced from each other by several meters, so as to create a recess of said pipe in said platform.
  • the lower end of the vertical riser 5 is composed of a rigid pipe portion 13, for example of the type used for the current portion of the vertical riser steel.
  • the lower end 5 1 of the vertical riser 5 formed as in the embodiment of Figure 2 with a rigid pipe portion 13, is held in a fixed position at the top of the bracket 15 2.
  • This terminal portion of rigid pipe 13 is made integral with the bracket 2 at the top of the latter by means of a conventional clamping collar 3 as shown in FIG. 3, said clamping collar being locked by bolts (not shown), inserted and locked by the installation ROV, automatic underwater intervention robot piloted from the surface.
  • This clamp is sized to take over all vertical stresses on the riser up to 100 tons.
  • the lower end of the terminal rigid vertical pipe portion 13 secured to the upper part of the bracket 2 and the end of the underwater pipe 11 resting at the bottom of the sea which passes through the base of the console are arranged substantially perpendicularly and are connected to each other by a first flexible pipe member 12.
  • Said first flexible pipe element is therefore suspended at the top of the console or elevation of the console and has a substantially elbow-shaped curvature at right angles.
  • This first flexible pipe element 12 is constituted by a length a unitary element of flexible pipe of the type used for the connection flexible pipe 3 between the floating support and the head 4 of the riser, or preferably of the type described in WO 97/25561.
  • suction anchors 17 which are well adapted to take up the thrust forces exerted on the base structure, generated by the variations of pressure and fluid temperature inside the underwater pipe 11 resting at the bottom of the sea.
  • Said suction anchors 17 are dark through the orifices 16 3 of said platform 15 1 .
  • These are in fact portions of pipes disposed perpendicularly to the base through these orifices 16 3 .
  • These pipe portions have on the underside a free opening and on the upper face a sealed seal 20 1 so that it forms a bell of large diameter and generally elongated.
  • Such anchors 17 may be several meters in diameter and 20 to 30 m high, or even larger. They can weigh from 15 to 50 tons each, or even more.
  • a second flexible pipe element 14 ensures the connection between the upper part or the current part 2 of the vertical riser and the upper end of said rigid pipe end portion 13 fixedly held at the top of the bracket 2 .
  • This second flexible pipe element 14 allows angular movements of the upper part 2 of the riser with respect to the axis YY 'of the rigid pipe end portion 13 constituting the lower part 5 1 of the riser in a fixed position relative to the console.
  • the two flexible pipe members 12 and 14 have a different function.
  • the first flexible pipe element 12 must have great flexibility because configuration in a straight line during towing as will be explained later, it must be curved to form a substantially right angle when commissioning the facility. This curved configuration becomes definitive when the latches 15 3 at the top of the console are actuated to fix the lower end of the riser. Therefore, the geometry of the curvature of the first flexible pipe element remains substantially constant throughout the life of the installation.
  • the second flexible pipe element although it also in a straight line during towing, allows, after vertical positioning, movements of said vertical riser limited to a cone of angle ⁇ with respect to the axis YY ' of the rigid terminal pipe portion 13.
  • the angle ⁇ is small, especially 5 to 10 °. But the angular movements are permanent throughout the operational life of the installation, so that the second flexible pipe element must be sized to withstand fatigue throughout the life of the facility, which can reach 20 years.
  • the first flexible element 12 will be very flexible so that it can be bent over 90 ° without damage, but will be practically no longer solicited during the entire service life, whereas the second flexible element 14 will only be deformed by a few degrees, but throughout the life of the installation, and at the mercy of the swell and current movements on the entire hybrid tower and the floating support, which represents several million cycles.
  • Figure 4 shows a preferred version of a hybrid tower installation according to the invention, in which the submarine pipe 11 resting on the bottom is free to move in translation parallel to its axis XX ', in roller guides 19 integral with the base. Guiding the underwater pipe resting at the bottom allows longitudinal movements thereof along its axis, so that said pipe 11 exerts practically no effort on the base structure, since the expansion of said underwater pipe 11 due to variations in temperature and internal pressure of the fluid is absorbed by deforming the curvature of said first flexible pipe element.
  • the radius of curvature of said first element of flexible pipe is more important in this embodiment of FIG. in the embodiment of Figure 2, as shown.
  • the length of the first driving element flexible represents 7.5m to 15m while in Figure 4, it can represent 12.5 to 20 m.
  • the first flexible driving element 12 is subject to movements, that in the event of a significant variation in temperature and operating pressure inside the pipes, which remains exceptional.
  • the base Given the greater length of the first element of flexible pipe 12 in the embodiment of FIG. 4, the base an upper structure dimensioned accordingly. In the case of platforms of large dimensions, it increases advantageously the stability by dead bodies 18 resting on the platform.
  • the rolls of guide 19 disposed below the end of the underwater pipe 11 resting at the bottom of the sea have axes preferably parallel to the said platform and solidary of it, and arranged on both sides of the base of the console.
  • the pads 19 are mounted around the pipe 11 by means of an assembly structure 19 3 surrounding said pipe.
  • any twisting rotation of the end of the pipe on itself about its longitudinal axis XX ' is prevented by the anti-rotation devices 19 1 , 19 2 .
  • the anti-rotation devices 19 1 , 19 2 thus prevent the transmission to the said first elbow-shaped flexible pipe element of the twisting phenomena of the pipe around its axis which appear during the expansion or retraction movements of the pipe. under the effect of pressure or temperature.
  • said vertical riser 5 comprises in its upper part above said second flexible pipe element 14 a pipe system consisting of a pipe-in-pipe type thermal insulation system comprising a set of two coaxial pipes comprising an inner pipe 5 2 and an outer pipe 5 3, a fluid or insulating April 5 consisting for example paraffin wax material or a gel, preferably being positioned between said two piping 5 2, 5 3.
  • a pipe system consisting of a pipe-in-pipe type thermal insulation system comprising a set of two coaxial pipes comprising an inner pipe 5 2 and an outer pipe 5 3, a fluid or insulating April 5 consisting for example paraffin wax material or a gel, preferably being positioned between said two piping 5 2, 5 3.
  • the space between the two said pipes consists of a high vacuum.
  • the two so-called submarine ducts 11 1 , 11 2 resting on the bottom of the sea, or constituting the vertical riser portion, are assembled in a bundle within the same flexible protective envelope 11 3 flowing , for confining an insulating material 11 4 , preferably paraffin or a gel, surrounding said conduits.
  • an insulating material 11 4 preferably paraffin or a gel
  • one of the two pipes of the vertical beam is equipped at its end with the second flexible pipe element 14, then with the rigid pipe end portion 13 which will be secured to the top of the bracket 15 2 by means of the latch 15 3 , said latch ensuring the transmission of vertical forces exerted on said vertical riser, to the console, so to the base and its anchoring system.
  • the second line of the vertical beam will be connected directly to the corresponding pipe of the beam resting on the bottom by means of a hose or a pipe with reduced rigidity, the latter being either free to move in space, or obliged to pass in guides which will then limit the deflections.
  • the first conduct of the vertical beam will support the vertical forces of the tower, the second pipe then being free to move in space, or forced to pass in guides.
  • Figure 7 details a preferred way to allow movement axial axes of one of the risers 5a, 5b with respect to the other and when these are not assembled in a bundle, so that the differential expansions between risers can be released and do not induce unacceptable constraints, which could damage or ruin the tower.
  • the device according to the invention consists of a tubular collar 25 firmly attached to the riser 5a and connected rigidly at 27 to a tubular ring 26 sliding freely on the riser 5b.
  • the collars are distributed along the risers, at regular intervals or not, and installed preferably in opposition as represented on the same Fig.
  • the two risers being integral with the base at the level of connections with said second flexible pipe element 14, if only the riser 5a is in temperature the sliding rings 26 allow the expansion of said riser 5a and almost all the expansion is at the top of the vertical riser, at the gooseneck as shown in Figure 8.
  • Said third flexible pipe 7 has at its ends elements of gradual variation of inertia section 7 1 , 7 2 respectively at the underside of the float 6 and the upper end 4 1 of the gooseneck.
  • the installation according to the invention comprises two groups each comprising a plurality of floats 30a, 30b at the top of the at least two so-called vertical risers 5a, 5b.
  • Said floats 30a, 30b of the same group are held together and fixed in relation to each other by means of a rigid structure in the form of a rectangular frame consisting of two bars vertical parallels 33 and two transverse parallel bars 36 enclosing them and supporting them.
  • the two rectangular frames of the two groups of floats 30a, 30b are connected to each other by two articulated frames in the form of parallelogram on each side, each consisting of two parallel bars substantially vertical 33 and connected at their ends by joints 35 at the ends of transverse parallel bars upper 34a and lower 34b.
  • the assembly forms a deformable parallelepiped by vertical translation said rectangular frames relative to each other, allowing relative vertical displacements of each of said groups of floats, one for each relationship to the other, generated in particular by differential expansion.
  • the structure supports a group of three floats 30a, whose central float is crossed by a pipe 8 in continuity of said third flexible 7 and opening to the upper part of said float on a sealed orifice 9, for example a plug valve spherical.
  • the riser 5b being cold is shorter than the riser 5a at higher temperature.
  • the group of floats 30b is is offset downward substantially the same distance. Both groups floats 30a, 30b are maintained substantially equidistant by means of the Parallelogram structures forming deformable parallelepipeds vertically, allows the vertical displacements generated, for example by the differential expansion of the two risers 5a, 5b, one being hot, the other being temperature of the sea water, so cold.
  • the connecting means of the floats have been described by means of bars 33, 34, articulated at the axis 35, but can equally well be made by deformable elements, for example elastomers, it being understood that the purpose sought is to maintain substantially constant distance both groups floats 30a-30b, to prevent them from colliding under the effect of the swell and current, while allowing relative movements in one direction corresponding substantially to the axis of the vertical pipes.

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Description

La présente invention a pour objet une installation de liaison fond-surface d'au moins une conduite sous-marine installée à grande profondeur du type tour-hybride.
Le secteur technique de l'invention est le domaine de la fabrication et de l'installation de colonnes montantes ou « riser » de production pour l'extraction sous-marine de pétrole, de gaz ou autre matériau soluble ou fusible ou d'une suspension de matière minérale à partir de tête de puits immergé pour le développement de champs de production installés en pleine mer au large des côtes, encore appelée "riser". L'application principale et immédiate de l'invention est dans le domaine de la production pétrolière.
Un support flottant comporte en général des moyens d'ancrage pour rester en position malgré les effets des courants, des vents et de la houle. Il comporte aussi en général des moyens de stockage et de traitement du pétrole ainsi que des moyens de déchargement vers des pétroliers enleveurs, ces derniers se présentant à intervalle régulier pour effectuer l'enlèvement de la production. L'appellation de ces supports flottants est le terme anglo-saxon "Floating Production Storage Offloading" (signifiant "moyen flottant de stockage, de production et de déchargement") dont on utilisera le terme abrégé "FPSO" dans l'ensemble de la description suivante.
En raison de la multiplicité des lignes existant sur ce type d'installation, on a été amené à mettre en oeuvre des liaisons fond-surface de type tour-hybride dans lesquelles des conduites rigides sensiblement verticales appelées ici "riser vertical", assurent la liaison entre les conduites sous-marines reposant au fond de la mer et remontent le long d'une tour jusqu'à une profondeur proche de la surface, profondeur à partir de laquelle des conduites flexibles assurent la liaison entre le sommet de la tour, à savoir les risers verticaux, et le support flottant. La tour est alors munie de moyens de flottabilité pour rester en position verticale et les risers sont reliés, en pied de tour, aux conduites sous-marines par des manchettes rigides, absorbant ainsi les mouvements verticaux de la tour. L'ensemble est communément appelé "Tour Hybride", car il fait intervenir deux technologies, d'une part une partie verticale, la tour, dans laquelle le riser est constitué de conduites rigides, d'autre part la partie haute du riser constituée de flexibles en chaínette qui assurent la liaison au support flottant.
On connaít le brevet français FR 2 507 672 publié le 17 Décembre 1982 et intitulé "colonne montante pour les grandes profondeurs d'eau", qui décrit une telle tour hybride.
La présente invention concerne plus particulièrement le domaine connu des liaisons de type comportant une tour hybride verticale ancrée sur le fond et composée d'un flotteur situé au sommet d'un riser vertical, celui-ci étant relié par une conduite, notamment une conduite flexible prenant par son propre poids la forme d'une chaínette depuis le sommet du riser, jusqu'à un support flottant installé en surface.
L'intérêt d'une telle tour hybride réside dans la possibilité pour le support flottant de pouvoir s'écarter de sa position normale en induisant un minimum de contraintes dans la tour ainsi que dans les portions de conduites en forme de chaínettes en suspension, tant au fond qu'en surface.
On connaít le brevet au nom de la présente demanderesse, WO 00/49267 qui décrit une tour dont le flotteur se trouve à une profondeur supérieure à la demi-hauteur d'eau et dont la liaison caténaire vers le navire de surface est réalisée à l'aide de conduites rigides de forte épaisseur. La tour ainsi décrite, nécessite au niveau de son embase, des manchettes de liaison souple permettant de raccorder l'extrémité inférieure des risers verticaux de ladite tour à la conduite sous-marine reposant sur le fond, de manière à absorber les mouvements résultant des dilatations dus à la température du fluide transporté.
Plus particulièrement, dans WO 00/49267, le système d'ancrage comporte un tendon vertical constitué soit d'un câble, soit d'une barre métallique, soit encore d'une conduite tendue à son extrémité supérieure par un flotteur. L'extrémité inférieure du tendon est fixée à une embase reposant au fond. Ledit tendon comporte des moyens de guidage répartis sur toute sa longueur à travers lesquels passent lesdits risers verticaux. Ladite embase peut être posée simplement sur le fond de la mer et rester en place par son propre poids, ou rester ancrée au moyen de piles ou tout autre dispositif propre à la maintenir en place. Dans WO 00/49267, l'extrémité inférieure du riser vertical est apte à être connectée à l'extrémité d'une manchette coudée, mobile, entre une position haute et une position basse, par rapport à ladite embase, à laquelle cette manchette est suspendue et associée à un moyen de rappel la ramenant en position haute en l'absence du riser. Cette mobilité de la manchette coudée permet d'absorber les variations de longueur du riser sous les effets de la température et de la pression. En tête du riser vertical, un dispositif de butée, solidaire de celui-ci, vient s'appuyer sur le guide support installé en tête du flotteur et maintient ainsi la totalité du riser en suspension.
De plus, le pétrole brut cheminant sur de très grandes distances, plusieurs kilomètres, on cherche à leur fournir un niveau d'isolation extrême pour, d'une part minimiser l'augmentation de viscosité qui conduirait à une réduction de la production horaire des puits, et d'autre part d'éviter le blocage du flot par dépôt de paraffine, ou formation d'hydrates dès lors que la température descend aux alentours de 30-40°C. Ces derniers phénomènes sont d'autant plus critiques, particulièrement en Afrique de l'Ouest, que la température du fond de la mer est de l'ordre de 4°C et que les pétroles bruts sont de type paraffiniques.
On connaít de nombreux systèmes d'isolation thermique qui permettent d'atteindre le niveau de performances requis et de résister à la pression du fond de la mer qui est de l'ordre de 150 bars à 1500m de profondeur. On cite entre autres les concepts de type "pipe-in-pipe", comprenant une conduite véhiculant le fluide chaud installée dans une conduite de protection externe, l'espace entre les deux conduites étant, soit simplement rempli d'un calorifuge, confiné ou non sous vide, soit simplement tiré au vide. De nombreux autres matériaux ont été développés pour assurer une isolation à hautes performances, certains d'entre eux étant résistants à la pression, entourent simplement la conduite chaude et sont en général confinés au sein d'une enveloppe extérieure souple ou rigide, en équipression et dont la fonction principale est de maintenir dans le temps une géométrie sensiblement constante.
Tous ces dispositifs véhiculant un fluide chaud au sein d'une conduite isolé présentent, à des degrés divers, des phénomènes de dilatation différentielle. En effet la conduite interne, en général en acier, se trouve à une température que l'on cherche à maintenir le plus élevé possible, par exemple 60 ou 80°C, alors que l'enveloppe externe, bien souvent elle aussi en acier, se trouve à la température de l'eau de mer, c'est à dire aux alentours de 4°C. Les efforts engendrés sur les éléments de liaison entre conduite interne et enveloppe externe sont considérables et peuvent atteindre plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de tonnes et l'élongation globale résultante est de l'ordre de 1 à 2 m dans le cas de conduites isolées de 1000 à 1200m de longueur.
Le problème posé selon la présente invention est de pouvoir réaliser et installer de telles liaisons fond-surface pour conduites sous-marines à grandes profondeurs, telles qu'au delà de 1000 mètres par exemple, et de type comportant une tour verticale et dont le fluide transporté doit être maintenu au dessus d'une température minimale jusqu'à son arrivée en surface, en réduisant au minimum les composants sujets à déperdition thermique, en évitant les inconvénients créés par l'expansion thermique propre, ou différentielle, des divers composants de ladite tour, de manière à résister aux contraintes extrêmes et aux phénomènes de fatigue cumulée sur la durée de vie de l'ouvrage, qui dépasse couramment 20 années.
Un autre problème de la présente invention est de fournir une installation de liaison fond-surface du type tour-hybride dont le système d'ancrage soit d'une grande résistance et d'un faible coût, et dont le procédé de mise en place des différents éléments constitutifs soit simplifié à l'extrême et également d'un faible coût.
En particulier un but de la présente invention est de fournir une installation qui peut être préfabriquée intégralement à terre, notamment en ce qui concerne l'assemblage des conduites rigides destinées à constituer lesdites conduites reposant au fond de la mer et lesdits risers verticaux.
Plus particulièrement, un autre but de la présente invention est de fournir une installation dont la mise en place au fond de la mer ne requiert la mise en oeuvre d'aucun connecteur automatique et de préférence d'aucun joint flexible à rotule dans la partie inférieure de la tour. Les connecteurs automatiques sont des connecteurs dont le verrouillage entre la partie mâle et la partie femelle complémentaire est conçue pour se faire très simplement au fond de la mer à l'aide d'un robot commandé depuis un ROV sans nécessiter une intervention directe manuelle de personnel. Ces connecteurs automatiques ainsi que les joints flexibles à rotule sont très coûteux.
Un autre problème à la base de l'invention est de fournir une installation qui permette d'intervenir à l'intérieur de la conduite sous-marine reposant au fond de la mer, par un procédé de type "coiled-tubing" depuis la surface et à partir de l'extrémité supérieure du riser vertical.
Une solution aux problèmes posés est donc une installation de liaison fond-surface pour conduite sous-marine reposant au fond de la mer, notamment à grande profondeur, dans laquelle ladite conduite sous-marine reposant au fond est reliée à undit riser vertical par au moins un élément de conduite flexible maintenu par une embase, comprenant plus précisément :
  • 1) au moins un riser vertical relié à son extrémité inférieure à au moins une conduite sous-marine reposant au fond de la mer, et à son extrémité supérieure à au moins un flotteur, et
  • 2) de préférence au moins une conduite de liaison, de préférence encore une conduite flexible, assurant la liaison entre un support flottant et l'extrémité supérieure dudit riser vertical, et
  • 3) la liaison entre l'extrémité inférieure dudit riser vertical et une dite conduite sous-marine reposant au fond de la mer se fait par l'intermédiaire d'un système d'ancrage comprenant une embase posée sur le fond, caractérisée en ce que :
  • a- l'extrémité inférieure du riser vertical est reliée à l'extrémité de la conduite reposant au fond de la mer par au moins un premier élément de conduite flexible qui présente une courbure en forme de coude, et
  • b- ladite embase comprend une plateforme reposant au sol et une structure supérieure solidaire de ladite plateforme qui maintient en position lesdites extrémités de ladite conduite sous-marine reposant au fond et dudit riser vertical raccordées audit premier élément de conduite flexible, de sorte que :
    • l'extrémité dudit premier élément de conduite flexible raccordée à l'extrémité inférieure du riser vertical est maintenue en position fixe par rapport à ladite embase, et
    • de préférence, les axes (XX', YY') desdites extrémités de ladite conduite sous-marine reposant au fond et dudit riser vertical sont maintenus dans un même plan perpendiculaire à ladite plateforme.
    • On entend par "élément de conduite flexible" les éléments de conduite suivants :
    • les conduites flexibles connues de l'homme de l'art conformément au domaine technique de l'invention comme mentionné ci-dessus, notamment dans le domaine des technologies de l'extraction sous-marine de pétrole en particulier, les conduites flexibles utilisées pour la liaison entre le support flottant et l'extrémité supérieure des conduites rigides constituant ledit riser vertical. Ces conduites flexibles sont classiquement constituées d'un tube interne de matériau polymère flexible renforcé par des armatures de fils métalliques tressés formant des gaines spiralées. Ces conduites flexibles sont capables de résister à des pressions internes ou extemes considérables, pouvant atteindre et dépasser 100 Mpa, tout en acceptant des courbures en mode dynamique ou statique très importantes, c'est-à-dire représentant un rayon de courbure très faible, jusqu'à 10 fois, voire 5 fois leur diamètre. Ce type de flexible est fabriqué et commercialisé par la société Coflexip-France.
    • Ainsi que, plus généralement, toute conduite de rigidité réduite par rapport à la rigidité des conduites en acier ou matériau composite rigide constituant lesdits risers, en particulier des conduites à rigidité réduite telles que décrites dans WO 97/25561 comportant une paroi externe métallique tubulaire rigide comportant des fentes ou rainures qui s'étendent selon un trajet hélicoïdal à la surface de ladite paroi externe, ladite paroi externe renfermant une conduite interne de métal ondulé assurant l'étanchéité tout en autorisant de par sa forme ondulée et sa faible épaisseur une courbure similaire à celle des conduites en matière plastique polymère. Les fentes ou rainures réalisées dans les conduites métalliques rigides de la paroi tubulaire externe permettent de conférer à ces parois externes une flexibilité similaire, mais cependant moins importante que celle d'un flexible. Par contre, sa fabrication est beaucoup plus simple à réaliser et son prix de revient n'est qu'une petite fraction de celui d'un flexible équivalent. En effet, un flexible de quelques mètres de longueur nécessite des embouts d'extrémité extrêmement coûteux, car délicats à fabriquer et à assembler, alors que la conduite à rigidité réduite selon le brevet WO 97/25561 peut être fabriqué dans une ébauche de tube d'acier similaire à celui des conduites rigides adjacentes, puis simplement soudées à ces derniers pour assurer la jonction.
    Ledit premier élément de conduite flexible ou à rigidité réduite, présente donc une courbure en forme de coude tournée vers le haut et la courbure est maintenue dans un plan sensiblement vertical lorsque ladite plateforme repose sensiblement horizontalement sur le fond de la mer.
    On entend ici par "coude" deux courtes sections rectilignes de conduite exposées à 90°, reliées entre elles par une section courbe présentant au repos une forme d'arc de cercle, de préférence avec un rayon de courbure, notamment un rayon de courbure inférieur à 10m, plus particulièrement de l'ordre de 5 à 10 m. Pour ce faire, on peut utiliser un dit premier élément de conduite flexible de longueur de 7.5 à 15m.
    Dans WO 00/49267, la tour comprenant plusieurs risers est tendue par un tendon central qui maintient en suspension une pluralité de risers verticaux, et le sommet du tendon tendu par un flotteur constitue un point de référence sensiblement fixe en altitude, à la variation près du poids global apparent des risers et de leur contenu ; et l'intégralité du mouvement était donc absorbée par les manchettes coudées de raccordement en partie basse, pièces coûteuses et difficiles à réaliser et à installer. Selon la présente invention, le point sensiblement fixe en altitude se trouve en bas de la tour à l'extrémité inférieure du riser au niveau du raccordement avec ledit premier élément de conduite flexible, ce qui permet de supprimer les manchettes coudées de raccordement, les mouvements différentiels entre les risers étant absorbés par le(s) flotteur(s) qui est (sont) libre(s) de se déplacer verticalement au sommet de chacun du(es)dit(s) riser(s).
    Ladite conduite de liaison entre le support flottant et l'extrémité supérieure du riser vertical peut être :
    • une conduite flexible ou à rigidité réduite si le flotteur de tête se trouve proche de la surface, ou
    • une conduite rigide si le flotteur de tête se trouve à grande profondeur.
    Selon un mode préférentiel de réalisation de l'invention, l'installation selon l'invention se caractérise en ce que :
  • a) Ledit riser vertical comprend à son extrémité inférieure une portion de conduite rigide terminale reliée à la partie supérieure dudit riser vertical par un deuxième élément de conduite flexible, lequel autorise des mouvements angulaires α de ladite partie supérieure par rapport à ladite portion de conduite rigide terminale, et
  • b) ladite embase comprend une structure supérieure qui maintient rigidement en position fixe par rapport à l'embase, ladite portion de conduite rigide terminale dudit riser vertical dont l'extrémité est reliée audit premier élément de conduite flexible.
    • L'axe de ladite portion de conduite rigide est donc sensiblement vertical et donc fixe lorsqu'elle est maintenue en position par ladite structure supérieure, ledit axe étant de préférence perpendiculaire à ladite plateforme.
    Ce mode préféré de réalisation avec un dit deuxième élément de conduite flexible permet d'éviter l'utilisation d'un joint flexible de type rotule.
    Toutefois, dans un mode de réalisation, on peut utiliser un tel joint flexible à la place dudit deuxième élément de conduite flexible. Un joint flexible autorise une variation importante de l'angle α entre l'axe de la tour et l'axe de la partie de riser vertical solidaire de l'embase, sans engendrer de contraintes significatives dans les portions de conduite situées de part et d'autre dudit joint flexible. Ce joint flexible peut être de façon connue soit une rotule sphérique avec joints d'étanchéité, soit une rotule lamifiée constituée de sandwichs de feuilles d'élastomères et de tôles adhérisées, capable d'absorber des mouvements angulaires importants par déformation des élastomères, tout en conservant une étanchéité parfaite en raison de l'absence de joints de frottement.
    Dans un mode particulier de réalisation, ladite embase comprend des supports de fixation aptes à maintenir en position fixe par rapport à l'embase l'extrémité de ladite conduite sous-marine reposant au fond.
    Dans ce mode de réalisation, ledit premier élément de conduite flexible, dans la zone du coude, présente une géométrie contrôlée qui se trouve parfaitement stabilisée, le verrouillage au niveau du raccordement entre le riser vertical et ledit premier élément flexible reprenant l'intégralité de la tension verticale créée par le flotteur en tête du riser, ladite tension pouvant atteindre 100 T. Le premier élément de conduite flexible ne supporte donc plus aucun mouvement ou effort, tant de la part de la conduite reposant sur le fond, que de la part du riser vertical.
    Toutefois, dans un mode préféré de réalisation, ladite embase comprend des éléments de guidage qui autorisent le déplacement en translation longitudinale le long de son axe XX' de l'extrémité de ladite conduite sous-marine reposant au fond.
    Lesdits moyens de guidage empêchent le déplacement en translation dans une autre direction, c'est-à-dire dans une direction comprenant une composante verticale YY' et/ou une composante latérale ZZ'.
    Dans ce deuxième mode de réalisation, la géométrie du coude reste contrôlée même si elle n'est pas complètement stabilisée.
    Plus particulièrement, lesdits éléments de guidage comprennent des rouleaux ou des patins de frottement sur lesquels ladite extrémité de conduite reposant au fond peut coulisser en translation longitudinale dans l'axe XX' de ladite extrémité, évitant ainsi de transférer les efforts de poussée sur l'embase, efforts dus à l'effet de fond (pression interne dans la conduite), ainsi qu'à l'expansion thermique de ladite conduite.
    Dans ce deuxième mode de réalisation selon lequel l'extrémité de la conduite sous-marine reposant au fond peut se déplacer longitudinalement le long de son axe, on comprend que ce déplacement induit une déformation de la courbure dudit premier élément de conduite flexible. Toutefois, le déplacement de l'extrémité de la conduite reposant au fond se produit exceptionnellement et uniquement sous l'effet de poussées causées par l'expansion de ladite conduite due à des variations de température et/ou de pression interne du fluide qu'elle véhicule. Il ne représente, en général, pas plus de 1 à 2 m.
    Dans un mode particulier de réalisation, ladite embase comprend une dite structure supérieure solidaire d'une dite plateforme, ladite structure supérieure formant une console en élévation par rapport à ladite plateforme, ladite plateforme étant de préférence solidaire de dits moyens de guidage consistant de préférence encore en des rouleaux répartis de part et d'autre de la base de ladite console reposant sur ladite plateforme, et ladite console comprend dans sa partie en élévation par rapport à ladite plateforme un verrou notamment du type bride ou collier de serrage permettant de bloquer ladite extrémité inférieure dudit riser.
    De préférence, lesdits moyens de guidage comportent également des dispositifs anti-rotation qui empêchent la rotation de l'extrémité de la conduite autour de son axe longitudinal XX' . Ces dispositifs anti-rotation permettent donc d'éviter que les phénomènes de torsion engendrés au niveau de la conduite sous-marine lors des mouvements d'expansion ou de rétraction de la conduite sous-marine sous l'effet de la pression ou de la température, ne soient transmis à la structure flexible dudit premier élément de conduite flexible en forme de coude.
    Ainsi, le dispositif anti-rotation empêche l'endommagement par torsion de la portion flexible en forme de coude lors desdits mouvements d'expansion ou de rétractation de la conduite sous-marine.
    Dans un mode préféré de réalisation, ladite embase comprend une dite structure supérieure solidaire d'une dite plateforme, ladite structure supérieure formant une console en élévation par rapport à ladite plateforme, ladite plateforme étant de préférence solidaire dedits moyens de guidage consistant de préférence encore en des rouleaux répartis de part et d'autre de la base de ladite console reposant sur ladite plateforme, et ladite console comprend dans sa partie en élévation par rapport à ladite plateforme un verrou notamment du type bride ou collier de serrage permettant de bloquer ladite extrémité inférieure dudit riser.
    De préférence, ladite embase comprend une plateforme, laquelle coopère avec des éléments de stabilisation comprenant des corps morts posés par-dessus ladite plateforme et/ou des ancres à succion traversant ladite plateforme pour être enfoncées dans le sol.
    L'installation selon la présente invention est avantageuse car la quasi intégralité de la tour hybride peut être préfabriquée à terre, puis remorqué sur site, et, une fois l'embase stabilisée par des corps morts ou des ancres à succion, la portion de riser est mise en position sensiblement verticale par simple déballastage du flotteur de tête, ou encore par simple tirage depuis la surface, évitant ainsi d'avoir recours à l'utilisation de connecteurs automatiques et de rotules flexibles, ces dernières étant indispensables dans l'art antérieur.
    Un autre avantage de la présente invention est aussi la réduction considérable du coût global, résultant de la suppression de tout joint flexible et tout connecteur automatique entre les différentes portions de conduites ainsi que la suppression des manchettes coudées utilisées dans la technique antérieure pour relier le riser vertical et la conduite reposant au niveau du fond de la mer, dont les coûts peuvent représenter dans la technique antérieure plus de 25% du coût total de l'installation. En effet, une telle manchette coudée, selon la technique antérieure, est complexe à fabriquer, car, après dépose sur le sol de l'extrémité de la conduite reposant sur le fond de la mer et après installation de l'embase, lesquelles sont déposées dans une zone cible représentant respectivement chacune, en général, un cercle d'environ 5 à 10 m de diamètre, soit une incertitude considérable quant à leur position relative, une métrologie de la position et de l'orientation relatives des extrémités des lignes doit être effectuée à l'aide d'un ROV (nom abrégé du terme anglo-saxon "Remote Operated Vehicule" signifiant "sous-marin automatique, télécommandé depuis la surface") ; la manchette est alors réalisée, soit à terre, soit à bord du navire d'installation, puis mise en place grâce à un ROV. De plus, une telle manchette nécessite des moyens de connexions, en général deux connecteurs automatiques, un à chaque extrémité de la manchette, entre le riser vertical et la conduite reposant au fond de la mer. Il faut préciser enfin que l'isolation thermique efficace d'une telle manchette coudée équipée de ses connecteurs automatiques, utilisée dans la technique antérieure, est extrêmement compliquée à réaliser, et donc très coûteuse, ce qui augmente donc considérablement le coût et la complexité de l'installation dans le cas où l'on met en oeuvre des conduites dont on recherche une isolation extrême.
    L'installation selon l'invention permet d'éliminer tous ces éléments de l'art antérieur, c'est à dire les manchettes de raccordement, les connecteurs automatiques ainsi que les joints-rotules flexibles et de fournir au meilleur coût, une tour riser intégrant les technologies d'isolation les plus performantes.
    Enfin, dans WO 00/49267, du fait que les extrémités de conduite reposant sur le fond sont déposées dans des zones cibles et éloignées de la base de la tour, il est nécessaire d'installer des manchettes préfabriquées présentant une succession de parties droites et de coudes d'angles variables pour relier l'extrémité de la conduite reposant au fond à la base de la tour. Ces manchettes sont coûteuses et difficiles à installer et créent des points froids préjudiciables à une bonne isolation thermique.
    L'installation selon l'invention permet donc d'éliminer tous ces inconvénients de l'art antérieur et de fournir au meilleur coût, une tour riser intégrant les technologies d'isolation les plus performantes.
    Dans un mode de réalisation, l'installation selon l'invention comprend :
    • au moins deux dits risers verticaux sensiblement parallèles et rapprochés, reliés à leur extrémité supérieure à au moins un flotteur et,
    • au moins deux dites conduites sous-marines reposant au fond de la mer, et
    • ladite embase maintenant en position fixe par rapport à l'embase les extrémités inférieures desdits risers verticaux, et
    • ladite installation comprenant au moins deux dits éléments de conduite flexible reliant les extrémités des conduites sous-marines reposant au fond de la mer et lesdites extrémités inférieures desdits risers verticaux.
    Plus particulièrement, les deux dites conduites sous-marines reposant sur le fond de la mer sont assemblées en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple, permettant de confiner un matériau isolant, de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdites conduites.
    Plus particulièrement encore, l'installation selon l'invention comprend :
    • au moins deux dites conduites sous-marines reposant sur le fond de la mer sont assemblées en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple permettant de confiner un matériau isolant, de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdites conduites, et
    • au moins deux dits risers verticaux sont assemblés en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple permettant de confiner un matériau isolant, de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdits risers,
    • la liaison entre chacune des conduites élémentaires du faisceau, depuis la conduite du faisceau reposant sur le fond vers la conduite correspondante du faisceau vertical étant constitué par au moins un dit premier élément de conduite flexible, de préférence préinstallé à terre lors de la fabrication, en continuité des dites conduites élémentaires rigides.
    Dans un autre mode de réalisation, les deux dits risers verticaux ne sont pas assemblés en faisceau et pour faciliter les mouvements différentiels entre risers, un premier et un deuxième risers verticaux non assemblés en faisceau sont maintenus sensiblement parallèles au moyen d'un système de liaison coulissant autorisant les déplacements axiaux dudit premier riser par rapport audit deuxième riser, ledit système de liaison comprenant un collier tubulaire fixé autour dudit premier riser, ledit collier étant relié rigidement à une bague tubulaire coulissant librement autour dudit deuxième riser, de préférence une pluralité de dits colliers d'un même système de liaison coulissant étant répartis le long de chacun desdits risers en alternance avec desdites bagues d'un autre dit système de liaison sur un même dit riser. Ce système de liaison coulissant permet aux risers de se déplacer verticalement mais pas transversalement, c'est-à-dire qu'ils restent sensiblement équidistants dans un plan perpendiculaire à leur axe.
    Dans un mode de réalisation particulier, ledit riser vertical comprend dans sa partie supérieure au-dessus dudit deuxième élément de conduite flexible, un système de conduites isolées constitué d'un ensemble de deux conduites coaxiales comprenant une conduite interne et une conduite externe, un fluide ou matériau isolant, de préférence un matériau à changement de phase de type paraffine ou un composé gélifié étant placé de préférence entre les deux dites conduites, ou encore en maintenant un vide poussé entre ces demières.
    Les jonctions entre les différentes composantes de l'ensemble flotteur, conduite flexible et riser vertical étant situées non loin de la surface, sont soumises aux effets combinés de la houle et du courant. De plus, le support de surface étant soumis non seulement à la houle et au courant, mais aussi aux effets du vent, les mouvements d'ensemble créent au niveau du point singulier que constitue la jonction entre riser et conduite flexible, des efforts considérables dans les divers constituants mécaniques. En effet, le flotteur exerce une traction verticale vers le haut pouvant varier de quelques dizaines de tonnes à plusieurs centaines de tonnes voire même au delà de 1000 tonnes, selon la profondeur d'eau qui peut atteindre 1500m, voire 3000m, et selon le diamètre interne de la conduite qui peut varier de 6" à 14", voire 16". Ainsi les efforts à transmettre sont considérables et les mouvements d'ensemble sont cadencés, entre autres, au rythme de la houle, c'est à dire avec une période variant typiquement, en période agitée, entre 8 et 20 secondes. Les cycles de fatigue cumulés sur la durée de vie du champ atteignent ainsi des valeurs dépassant plusieurs dizaines de millions de cycles. C'est pourquoi une installation selon la présente invention comprend avantageusement au moins un flotteur, de préférence un groupe comprenant une pluralité de flotteurs installé au sommet de chacun, au moins deux dits risers verticaux, agencés de telle sorte que lesdits flotteurs sont maintenus solidaires au moyen d'une structure les supportant et autorisant des déplacements verticaux relatifs de chacun desdits groupes de flotteurs l'un par rapport à l'autre, notamment des déplacements engendrés par dilation différentielle. Lesdits flotteurs sont donc libres de se déplacer verticalement mais ils sont suffisamment espacés pour que, au gré des déformations de leurs structures porteuses, tout contact physique des groupes de flotteurs entre eux soit évité.
    Un autre problème selon la présente invention est de permettre une intervention aisée à l'intérieur dudit riser depuis la surface, notamment de permettre l'inspection ou le nettoyage dudit riser vertical, par introduction d'un tube rigide depuis l'extrémité supérieure du flotteur, passant à travers ledit dispositif de liaison entre flotteur et riser vertical.
    En effet, ces liaisons fond-surface véhiculent un fluide polyphasique, c'est à dire un fluide composé de pétrole brut, d'eau et de gaz. Or, lors de la remontée du fluide, la pression locale diminue et les bulles de gaz augmentent alors de volume, créant des phénomènes d'instabilité de la veine fluide pouvant conduire à des à-coups importants. Lors d'arrêts de production, le gaz se retrouve dans la partie haute et le mélange huile-eau se trouve piégé dans les points bas, c'est à dire dans la partie basse de la zone du flexible en chaínette, ainsi que dans la partie basse de la section sensiblement verticale du riser.
    Le mélange polyphasique, constitué de pétrole brut, d'eau et de gaz, a tendance, lorsque la température descend en dessous d'un valeur située entre 30 et 40°C, à créer deux types de bouchons qui risquent de bloquer la production. Un premier type de bouchon est dû à la formation d'hydrates à partir de la phase gazeuse en présence d'eau, un autre type est dû au figeage de la paraffine contenue en proportion variable dans le pétrole brut de certains champs pétroliers, particulièrement en Afrique de l'Ouest.
    On connaít la méthode d'intervention à l'intérieur des canalisations, dite "coiled-tubing", consistant à pousser un tube rigide de petit diamètre, en général 20 à 50mm, à travers la conduite. Ledit tube rigide est stocké enroulé par simple cintrage sur un tambour, puis détordu lorsqu'on le débobine. Ledit tube peut mesurer plusieurs milliers de mètres en une seule longueur. L'extrémité du tube située au fût du tambour de stockage est reliée par l'intermédiaire d'un joint toumant à un dispositif de pompage capable d'injecter un liquide à haute pression et à haute température . Ainsi, en poussant le tube fin à travers la conduite, en maintenant le pompage et la contre-pression, cette conduite est nettoyée grâce à l'injection d'un produit chaud capable de dissoudre les bouchons . Cette méthode d'intervention est couramment utilisée lors des interventions sur puits verticaux ou sur des conduites obstruées par des formations de paraffine ou d'hydrates, phénomènes courants et redoutés dans toutes les installations de production de pétrole brut. Le procédé de "coiled-tubing" est dénommé ci-après par "nettoyage par tubage continu" ou NTC.
    L'installation selon l'invention comprend un dispositif de liaison entre ledit flotteur et l'extrémité supérieure dudit riser comprenant :
    • un troisième élément de conduite souple dont les extrémités sont encastrées au niveau respectivement dudit flotteur et de l'extrémité supérieure du riser,
    • la liaison de ladite troisième conduite souple à l'extrémité supérieure dudit riser se faisant par l'intermédiaire d'un dispositif en forme de col de cygne, lequel dispositif en forme de col de cygne assure aussi la liaison entre ledit riser et une dite conduite de liaison avec le support flottant, de préférence une dite conduite flexible,
    • ladite troisième conduite souple étant, de préférence, prolongée à travers ledit flotteur par une conduite tubulaire rigide traversant le flotteur de part en part, de sorte que l'on peut intervenir à l'intérieur dudit riser vertical à partir de la partie supérieure du flotteur à travers ladite conduite tubulaire rigide, puis ledit dispositif de liaison constitué de ladite troisième conduite souple est à travers ledit dispositif en forme de col de cygne, de façon à accéder à l'intérieur dudit riser et le nettoyer par injection de liquide et /ou par raclage de la paroi interne dudit riser, puis de ladite conduite sous-marine reposant au fond de la mer.
    Le dispositif en forme de col de cygne comprend une partie droite supérieure qui assure la jonction entre ledit riser vertical et ladite troisième conduite souple reliée audit flotteur. Sur cette dite partie droite du dispositif en forme de col de cygne, une dérivation courbe en forme de coude, permet la jonction entre l'extrémité dudit riser vertical et l'extrémité de ladite conduite flexible elle-même reliée audit support flottant. Les extrémités de ladite courbe étant sensiblement tangente avec la courbe de la chaínette constituée par ladite conduite flexible qui assure la liaison au support flottant, et sensiblement tangente avec ladite partie droite du dispositif en forme de col de cygne.
    L'avantage principal de l'installation selon l'invention est que tous les éléments sont préfabriqués à terre avant d'être installés. Ils peuvent ainsi être montés "à blanc" pour vérifier que tous les éléments coopèrent correctement, y compris les moyens de verrouillage ; ainsi, l'assemblage de l'installation est considérablement simplifié et le temps opérationnel des navires d'installation réduit au minimum. Dans l'art antérieur, les conduites sous-marines étaient posées puis, après installation des risers, des manchettes coudées de raccordement étaient fabriquées sur la base d'une métrologie de grande précision réalisée grâce aux ROVs. La manchette, préfabriquée à terre ou sur site peut mesurer plusieurs dizaines de mètres et doit ensuite être installée par le même ROV, ce qui représente un temps opérationnel considérable, donc un coût très élevé en raison de la sophistication des navires d'installation spécialisés. Le gain réalisé par le dispositif et le procédé selon l'invention, se chiffre en plusieurs journées de navire d'installation ainsi qu'en la suppression des connecteurs automatiques indispensables à chacune des extrémités de la manchette préfabriquée, ce qui représente une réduction de coût considérable.
    Les objectifs de la présente invention sont donc également obtenus par un procédé de mise en place d'une installation qui comprend les étapes dans lesquelles :
  • 1) on pré-assemble bout à bout en alignement ladite conduite destinée à reposer au fond de la mer, ledit premier élément de conduite flexible, ladite conduite rigide destinée à constituer ledit riser vertical, et le cas échéant et de préférence, ledit deuxième élément de conduite flexible,
  • 2) on met en place une dite embase coopérant avec l'assemblage obtenu à l'étape 1, de sorte que :
    • ladite conduite destinée à reposer au fond de la mer et ladite conduite rigide destinée à constituer ledit riser vertical sont fixées sur ladite plateforme, de préférence à proximité des extrémités desdites conduites, reliées auxdits éléments de conduite flexibles et
    • l'extrémité dudit premier élément de conduite flexible raccordée à l'extrémité inférieure dudit riser vertical, n'est pas maintenue par ladite structure supérieure de l'embase.
  • 3) On remorque en mer l'assemblage obtenu après l'étape 2 jusqu'au site voulu et,
  • 4) on dépose sur le fond de la mer ladite embase que l'on stabilise de préférence avec desdits éléments de stabilisation, et
  • 5) on désolidarise de l'embase ledit riser, puis
  • 6) on solidarise ladite extrémité inférieure dudit riser avec ladite structure supérieure de l'embase pour la maintenir dans ladite position fixe verticale par rapport à l'embase.
    • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaítront à la lumière détaillée des modes de réalisation qui vont suivre, en référence aux figures 1 à 11.
  • La figure 1 est une vue en coupe de la partie supérieure d'une tour hybride reliée à un support flottant de type FPSO, un navire d'intervention effectuant une opération de maintenance à la verticale de ladite tour.
  • La figure 2 représente une vue de côté de la même tour selon la présente invention, en configuration définitive, après stabilisation de l'embase, cabanage du riser vertical et verrouillage de la partie intermédiaire.
  • La figure 3 est une vue de dessus relative à la figure 2.
  • La figure 4 est une vue de côté d'une tour selon la présente invention, dans laquelle la conduite horizontale reposant sur le fond est libre de se déplacer parallèlement à son axe par rapport à l'embase fixée au sol.
  • La figure 5 représente une vue de côté d'une tour hybride mono-tube en cours de remorquage, près du fond de la mer, vers son site d'installation.
  • La figure 6A est une vue en coupe représentant les sections d'une conduite interne et d'une conduite externe d'un riser vertical isolé par un ensemble du type "pipe-in-pipe".
  • La figure 6B représente une vue en coupe d'une section d'un faisceau de deux conduites sous-marines reposant au fond de la mer.
  • La figure 7 est une vue de côté de deux risers verticaux solidarisés par des moyens de liaison et de guidage coulissants.
  • La figure 8 est une vue de côté de l'extrémité supérieure des risers verticaux avec un dispositif du type col de cygne permettant de les relier d'une part, au support flottant par l'intermédiaire d'une conduite flexible, et d'autre part, aux flotteurs.
  • Les figures 9 et 10 sont respectivement des vues de dessus et de côté des flotteurs situés en continuité directe des deux risers verticaux.
  • La figure 11 représente des moyens de guidage de l'extrémité de la conduite sous-marine sur l'embase, lesdits moyens de guidage comprenant des dispositifs anti-rotation.
    • Sur la figure 1, on a représenté une installation de liaison fond-surface pour conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer, notamment à grande profondeur, comprenant :
  • a) au moins un riser vertical 5 relié à son extrémité inférieure à au moins une conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer (non représentée), et à son extrémité supérieure à au moins un flotteur 6, et
  • b) au moins une conduite de liaison 3, de préférence une conduite flexible, assurant la liaison entre un support flottant 1 et l'extrémité supérieure dudit riser vertical 5.
    • La figure 2 représente une installation selon l'invention avec une tour en position verticale par rapport à l'embase reposant au fond. L'embase comprend une plateforme 151 constituée par un support plat posé au fond de la mer dont la longueur, à titre illustratif, peut représenter 30 à 50 m, et sa largeur 5 à 10m. L'embase comporte une structure supérieure en forme de console 152 en élévation par rapport à la plateforme 151 dont la hauteur, à titre illustratif, peut dépasser 10m.
    Ladite console 152, solidaire de ladite plateforme, est constituée d'une structure chevauchant l'extrémité de la conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer. La conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer est rendue solidaire de la plateforme 151 par des supports de fixation de type bride ou collier de serrage conventionnel 161 qui la maintiennent fixement par rapport à l'embase. Ces supports de fixation 161 disposés sur ladite plateforme sont éloignés l'un de l'autre de plusieurs mètres, de manière à créer un encastrement de ladite conduite dans ladite plateforme. L'extrémité inférieure du riser vertical 5 est composée d'une portion de conduite rigide 13, par exemple du type de celle employée pour la partie courante du riser vertical en acier.
    L'extrémité inférieure 51 du riser vertical 5 constitué comme dans le mode de réalisation de la figure 2 avec une portion de conduite rigide 13, est maintenue en position fixe au sommet de la console 152. Cette portion terminale de conduite rigide 13 est rendue solidaire de la console 152, au sommet de cette dernière, au moyen d'un collier de serrage conventionnel 153 tel que représenté sur la figure 3, ledit collier de serrage étant verrouillé par boulons non représentés, mis en place et bloqués par le ROV d'installation, robot sous-marin automatique d'intervention piloté depuis la surface.
    Ce collier de serrage est dimensionné pour reprendre l'intégralité des efforts verticaux sur le riser pouvant atteindre 100 tonnes.
    L'extrémité inférieure de la portion de conduite verticale rigide terminale 13 solidaire de la partie supérieure de la console 152 et l'extrémité de la conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer qui traverse la base de la console sont disposées sensiblement perpendiculairement et sont reliées l'une à l'autre par un premier élément de conduite flexible 12. Ledit premier élément de conduite flexible est donc suspendu au sommet de la console ou partie en élévation de la console et présente une courbure en forme de coude sensiblement à angle droit.
    Ce premier élément de conduite flexible 12 est constitué par une longueur d'un élément unitaire de conduite flexible du type de celle employée pour la liaison de conduite flexible 3 entre le support flottant et la tête 4 du riser, ou de préférence, du type de celle décrite dans WO 97/25561.
    Sur la figure 2, l'embase est stabilisée par des ancres à succion 17 qui sont bien adaptées pour reprendre les efforts de poussée exercés sur la structure d'embase, engendrés par les variations de pression et de température fluide à l'intérieur de la conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer. Lesdites ancres à succion 17 sont foncées à travers les orifices 163 de ladite plateforme 151. Ce sont en fait des portions de conduites disposées perpendiculairement à l'embase à travers ces orifices 163. Ces portions de conduite présentent en face inférieure une ouverture libre et en face supérieure une obturation étanche 201 de sorte qu'elle forme une cloche de grand diamètre et en général allongée. De telles ancres 17 peuvent mesurer plusieurs mètres de diamètre et 20 à 30 m de hauteur, voire plus. Elles peuvent peser de 15 à 50 tonnes chacune, voire plus.
    Un deuxième élément de conduite flexible 14 assure la liaison entre la partie supérieure ou partie courante 52 du riser vertical et l'extrémité supérieure de ladite portion terminale de conduite rigide 13 maintenue fixement au sommet de la console 152. Ce deuxième élément de conduite flexible 14 autorise des mouvements angulaires de la partie supérieure 52 du riser par rapport à l'axe YY' de la portion terminale de conduite rigide 13 constituant la partie inférieure 51 du riser en position fixe par rapport à la console.
    Les deux éléments de conduite flexible 12 et 14 ont une fonction différente. Le premier élément de conduite flexible 12 doit présenter une grande souplesse car de configuration en ligne droite lors du remorquage comme il sera explicité plus loin, il doit pouvoir être courbé pour former un angle sensiblement droit lors de la mise en service de l'installation. Cette configuration courbe devient définitive lorsque les verrous 153 au sommet de la console sont actionnées pour fixer l'extrémité inférieure du riser. Dès lors, la géométrie de la courbure du premier élément de conduite flexible reste sensiblement constante pendant toute la durée de vie d'installation. En revanche, le deuxième élément de conduite flexible, bien que lui aussi en ligne droite lors du remorquage, n'autorise après mise en position verticale des mouvements dudit riser vertical limité à un cône d'angle α par rapport à l'axe YY' de la portion de conduite terminale rigide 13. L'angle α est faible, notamment de 5 à 10°. Mais les mouvements angulaires sont permanents pendant toute la durée opérationnelle de l'installation, de sorte que ce deuxième élément de conduite flexible doit être dimensionné pour tenir à la fatigue pendant toute la durée de vie de l'installation, laquelle peut atteindre 20 ans. Ainsi, le premier élément flexible 12 représentera une grande souplesse pour pouvoir être cintré sur 90° sans endommagement, mais ne sera pratiquement plus sollicité durant toute la durée de vie, alors que le second élément flexible 14 ne sera déformé que de quelques degrés, mais pendant toute la durée de vie de l'installation, et au gré des mouvements dus à la houle et aux courants sur l'ensemble de la tour hybride et sur le support flottant, ce qui représente plusieurs millions de cycles.
    La figure 4 représente une version préférée d'une installation de tour hybride selon l'invention, dans laquelle la conduite sous-marine 11 reposant sur le fond est libre de se déplacer en translation parallèlement à son axe XX', dans des guides à rouleaux 19 solidaires de l'embase. Le guidage de la conduite sous-marine reposant au fond autorise des déplacements longitudinaux de celle-ci selon son axe, de sorte que ladite conduite 11 n'exerce pratiquement plus d'effort sur la structure d'embase, car l'expansion de ladite conduite sous-marine 11 dus à des variations de température et de pression interne du fluide est absorbée par déformation de la courbure dudit premier élément de conduite flexible. Pour autoriser lesdits mouvements de translation de la conduite sous-marine 11, qui peuvent représenter 1 à 2 m, le rayon de courbure dudit premier élément de conduite flexible est plus important dans ce mode de réalisation de la figure 4 que dans le mode de réalisation de la figure 2, comme représenté. En particulier, dans le mode de réalisation de la figure 2, la longueur du premier élément de conduite flexible représente 7,5m à 15 m tandis que sur la figure 4, il peut représenter de 12.5 à 20 m. Le premier élément de conduite flexible 12 n'est sujet à mouvements, qu'en cas de variation significative de la température et de la pression de fonctionnement à l'intérieur des conduites, variation qui reste exceptionnelle. Compte tenu de la plus grande longueur du premier élément de conduite flexible 12 dans le mode de réalisation de la figure 4, l'embase présente une structure supérieure dimensionnée en conséquence. Dans le cas de plateformes de dimensions importantes, on augmente avantageusement la stabilité par des corps morts 18 reposant sur la plateforme. Les rouleaux de guidage 19 disposés au-dessous de l'extrémité de la conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer, présentent des axes de préférence parallèles à ladite plateforme et solidaires de celle-ci, et disposés de part et d'autre de la base de la console.
    Dans la figure 11, on a décrit les moyens de guidage 19 de la conduite sous-marine 11 reposant sur le fond, comme étant des patins de frottement autorisant des déplacements longitudinaux dans la seule direction XX', correspondant à l'axe de ladite conduite, les déplacements dans une direction YY' vers le haut étant alors impossibles de même que les déplacements latéraux dans une direction ZZ'. Bien entendu, on peut également utiliser à la place des patins de frottement tout autre dispositif visant à réduire la friction.
    Les patins 19 sont montés autour de la conduite 11 à l'aide d'une structure d'assemblage 193 entourant ladite conduite.
    Les dispositifs anti-rotation comprennent :
    • d'une part une barre 191 solidaire de l'extrémité de la conduite 11 et s'étendant verticalement en sous face de celle-ci, et
    • d'autre part des patins de frottement ou des rouleaux 192 solidaires de ladite embase 15, lesquels sont disposés en contact glissant avec ladite barre 191 et de part et d'autre de ladite barre 191.
    Ainsi, lors des déplacements en translation longitudinale sur les rouleaux ou patins de guidage 19, toute rotation par vrillage de l'extrémité de la conduite sur elle-même autour de son axe longitudinal XX' est empêchée par les dispositifs anti-rotation 191, 192. Les dispositifs anti-rotation 191, 192 empêchent donc de transmettre au dit premier élément de conduite flexible en forme de coude les phénomènes de torsion de ladite conduite autour de son axe qui apparaissent lors des mouvements d'expansion ou de rétractation de la conduite sous l'effet de la pression ou de la température.
    Dans le procédé de mise en place d'une installation selon l'invention, on réalise les étapes successives suivantes :
  • 1- On préfabrique à terre les éléments constitutifs de la tour riser hybride en assemblant bout à bout et successivement :
    • la conduite sous-marine 11 destinée à reposer au fond de la mer,
    • le premier élément de conduite flexible 12,
    • la portion terminale de conduite rigide 13 destinée à constituer l'extrémité inférieure du riser vertical 5,
    • le deuxième élément de conduite flexible 14, et
    • la partie courante 52 du riser vertical 5.
  • 2- On met en place l'embase comme représenté sur la figure 5 qui représente une tour hybride en cours de remorquage vers le site de l'installation. L'embase est rendue solidaire de l'extrémité de la conduite sous-marine 11 destinée à reposer au fond de la mer par des supports de fixation rigides 161 de type collier de serrage conventionnel, solidarisant ladite conduite à ladite plateforme 151 sur laquelle elle repose. Ces supports de fixation sont bloqués de manière définitive dans le cas d'une mise en service selon la figure 2 ou provisoire dans le cas d'une mise en service selon la figure 4. Ladite portion terminale de riser constituée par la conduite rigide intermédiaire 13, ainsi que la partie supérieure ou partie courante 52 du riser destiné à constituer le riser vertical 5, sont également rendues solidaires de la plateforme 151 au moyen de supports de fixation provisoires 162 du type bride ou collier de serrage conventionnel. L'extrémité supérieure du futur riser vertical 5 est équipée lors de la préfabrication à terre, d'un col de cygne 4, d'un flexible de raccordement 7 ainsi que d'un flotteur 6 dûment ballasté. Le câble de remorquage, non représenté est, par exemple, connecté à l'extrémité du flotteur de tête 6. La portion de conduite flexible 3 assurant la liaison entre le col de cygne 4 et le support flottant 1, tel que représenté sur la figure 1, et avantageusement rabattue le long de la conduite rigide destinée à constituer le riser vertical 5 et fixé fermement au moyen de sangles.
  • 3- On tire l'assemblage obtenu à l'étape 2 vers le large au fur et à mesure de la progression de ladite fabrication de l'installation.
  • 4- En fin de fabrication, on remorque l'ensemble des éléments de la tour hybride ainsi constituée en conduite continue vers le site d'installation.
  • 5- En fin de remorquage, on dépose sur le fond de la mer la structure embase dans la zone cible à proximité du futur support flottant 1. Pour ce faire, on déballaste des flotteurs (non représentés) qui permettaient de maintenir l'installation à une certaine hauteur par rapport au niveau du fond de la mer pendant le remorquage.
  • 6- On stabilise ladite embase au moyen d'ancre(s) à succion 17 foncée(s) à travers le(s) orifice(s) 163 de la plateforme ou en descendant des corps morts 18 sur la plateforme. L'ancre à succion 17 est descendue au moyen d'une oreille de levage 202 jusqu'à pénétrer le sol. Un ROV non représenté se connecte alors sur l'orifice 203 du couvercle 201 et à l'aide d'une pompe, met en dépression l'intérieur de la cloche. L'effort résultant est considérable et tend à faire pénétrer l'ancre à succion dans le sol jusqu'à ce que le talon 204 en face supérieure vienne en butée avec la plateforme, la stabilisant ainsi.
  • 7- On relâche les supports de fixation provisoires 162 desdites portions de conduite rigide 13 et 5, et le cas échéant de l'extrémité de la conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer.
  • 8- On cabane la portion de conduite constituant le futur riser vertical 5 par simple déballastage du flotteur de tête 6, par exemple par une purge à l'air comprimé, ou encore en tirant depuis le navire d'installation 10 installé en surface, l'extrémité supérieure du flotteur de tête 6. Dans ce cas, le flotteur est purgé à l'air en fin de relevage, lorsque le riser vertical 5 est en position sensiblement verticale.
  • 9- On solidarise l'élément de conduite rigide terminale intermédiaire 13 au moyen d'un verrou 153 constitué d'une bride ou collier de serrage conventionnel qui la rend solidaire de la plateforme 151 de la structure embase. La libération des supports de fixation provisoires 162 et le verrouillage au sommet de la console 152 sont les seules interventions à réaliser au fond de la mer. Mais ces opérations peuvent être réalisées aisément et rapidement à l'aide d'un ROV.
  • 10- On libère les sangles de maintien de ladite conduite flexible 3 (non représentée sur la figure 4) et l'extrémité de ladite conduite flexible 3 est alors simplement tirée depuis et vers le support flottant 1 avant d'être raccordée comme détaillé sur la figure 1. Dans le cas où la conduite de liaison flexible 3 est mise en place et connectée au col de cygne 4, son raccordement est réalisé au moyen de connecteur automatique de type mâle-femelle opéré par un ROV, soit au moyen de bride conventionnelle mise en place par des plongeurs, si la profondeur d'eau leur permet d'intervenir.
    • Sur la figure 6A, ledit riser vertical 5 comprend dans sa partie supérieure au-dessus dudit deuxième élément de conduite flexible 14 un système de conduites constitué d'un système isolant thermique de type pipe-in-pipe comprenant un ensemble de deux conduites coaxiales comprenant une conduite interne 52 et une conduite externe 53, un fluide ou matériau isolant 54 constitué par exemple de paraffine ou d'un gel, étant placé de préférence entre les deux dites conduites 52, 53. Dans une version préférée l'espace entre les deux dites conduites est constitué d'un vide poussé.
    Sur la figure 6B, les deux dites conduites sous-marines 111, 112 reposant sur le fond de la mer, ou constituant la portion de riser vertical, sont assemblées en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple 113 circulant, permettant de confiner un matériau isolant 114, de préférence de la paraffine ou d'un gel, entourant lesdites conduites.
    Dans ce dernier cas, l'une des deux conduites du faisceau vertical est équipée à son extrémité du deuxième élément de conduite flexible 14, puis de la portion terminale de conduite rigide 13 qui sera rendue solidaire du sommet de la console 152 au moyen du verrou 153, ledit verrou assurant la transmission des efforts verticaux exercés sur ledit riser vertical, vers la console, donc vers l'embase et son système d'ancrage. La deuxième conduite du faisceau vertical sera reliée directement à la conduite correspondante du faisceau reposant sur le fond au moyen d'un flexible ou d'une conduite à rigidité réduite, cette dernière étant soit libre de se déplacer dans l'espace, soit obligée de passer dans des guides qui limiteront alors les débattements. Ainsi, la première conduite du faisceau vertical supportera les efforts verticaux de la tour, la deuxième conduite étant alors libre de se déplacer dans l'espace, ou contrainte à passer dans des guides.
    La figure 7 détaille une manière préférée pour autoriser les déplacements axiaux d'un des risers 5a, 5b par rapport à l'autre et lorsque ceux-ci ne sont pas assemblés en faisceau, de manière à ce que les dilatations différentielles entre risers puissent être libérées et n'induisent pas de contraintes inacceptables, qui risqueraient d'endommager, voire de ruiner la tour. Le dispositif selon l'invention est constitué d'un collier tubulaire 25 fermement fixé sur le riser 5a et relié rigidement en 27 à une bague tubulaire 26 coulissant librement sur le riser 5b. Les colliers sont répartis le long des risers, à intervalles réguliers ou non, et installés de préférence en opposition comme représenté sur la même figure. Ainsi, les deux risers étant solidaires de l'embase au niveau des raccordements avec ledit deuxième élément de conduite flexible 14, si seul le riser 5a est en température les bagues coulissantes 26 autorisent l'expansion dudit riser 5a et la quasi intégralité de l'expansion se retrouve en tête de riser vertical, au niveau du col de cygne comme indiqué sur la figure 8.
    Sur la figure 8, l'installation comprend un dispositif de liaison 4, 7 entre ledit flotteur 6 et l'extrémité supérieure dudit riser 5, comprenant :
    • une troisième conduite souple 7 dont les extrémités sont encastrées au niveau respectivement de la sous-face dudit flotteur 6 et de l'extrémité supérieure du riser 5,
    • la liaison de ladite troisième conduite souple 7 à l'extrémité supérieure dudit riser 5 se faisant par l'intermédiaire d'un dispositif en forme de col de cygne 4, lequel dispositif en forme de col de cygne 4 assure aussi la liaison entre ledit riser 5 et une dite conduite flexible 3 avec le support flottant,
    • ladite troisième conduite souple 7 étant prolongée à travers ledit flotteur 6 par une conduite tubulaire rigide 8 traversant le flotteur de part en part, de sorte que l'on peut intervenir à l'intérieur dudit riser vertical 5 à partir de la partie supérieure du flotteur 6 à travers ladite conduite tubulaire rigide 8, puis ledit dispositif de liaison constitué de ladite troisième conduite souple 7 et à travers ledit dispositif en forme de col de cygne 4, de façon à accéder à l'intérieur dudit riser 5 et le nettoyer par injection de liquide et /ou par raclage de la paroi interne dudit riser 5, puis de ladite conduite sous-marine 11 reposant au fond de la mer.
    Ladite troisième conduite souple 7 présente à ses extrémités des éléments de variation progressive d'inertie de section 71, 72 au niveau respectivement de la sous-face du flotteur 6 et de l'extrémité supérieure 41 du col de cygne.
    Sur la figure 9, l'installation selon l'invention comprend deux groupes comprenant chacun une pluralité de flotteurs 30a, 30b au sommet des au moins deux dits risers verticaux 5a, 5b. Lesdits flotteurs 30a, 30b d'un même dit groupe sont maintenus solidaires et fixes les uns par rapport aux autres au moyen d'une structure rigide en forme de cadre rectangulaire constitué de deux barres parallèles verticales 33 et deux barres parallèles transversales 36 les renfermant et les supportant. Les deux cadres rectangulaires des deux groupes de flotteurs 30a, 30b sont reliés l'un à l'autre par deux cadres articulés en forme de parallélogramme sur chaque côté, constitués chacun par deux barres parallèles sensiblement verticales 33 et reliées à leurs extrémités par des articulations 35 aux extrémités de barres parallèles transversales supérieure 34a et inférieure 34b.
    L'ensemble forme un parallélépipède déformable par translation verticale desdits cadres rectangulaires l'un par rapport à l'autre, autorisant des déplacements verticaux relatifs de chacun desdits groupes de flotteurs l'un par rapport à l'autre, engendrés notamment par dilation différentielle.
    Comme détaillé sur les figures 9 et 10, la structure supporte un groupe de trois flotteurs 30a, dont le flotteur central est traversé par une conduite 8 en continuité dudit troisième flexible 7 et débouchant à la partie supérieure dudit flotteur sur un orifice étanche 9, par exemple une vanne à boisseau sphérique. Ainsi on effectue avantageusement toutes les opérations de maintenance du riser et d'une grande portion de conduite reposant sur le fond de la mer à partir d'un navire de surface 10 installé à la verticale de ladite vanne d'accès 32a ; l'opération de coiled tubing étant possible dans la partie de conduite reposant sur le fond de la mer, à condition que le rayon de courbure du coude situé dans l'embase soit suffisamment grand, par exemple 5m, voire 7m ou plus.
    Dans la figure 8, le riser 5b étant froid, se trouve plus court que le riser 5a à température plus élevée. De même, sur la figure 10 le groupe de flotteurs 30b se trouve décalé vers le bas sensiblement d'une même distance. Les deux groupes de flotteurs 30a, 30b sont maintenus sensiblement à équidistance au moyen des structures en parallélogramme formant des parallélépipèdes déformables verticalement, autorise les déplacements verticaux engendrés, par exemple par la dilatation différentielle des deux risers 5a, 5b, l'un étant chaud, l'autre étant à la température de l'eau de mer, donc froid.
    Les moyens de liaison des flotteurs ont été décrits au moyen de barres 33, 34, articulées au niveau d'axes 35, mais peuvent tout aussi bien être réalisés par des éléments déformables, par exemple en élastomères, étant entendu que le but recherché est de maintenir à distance sensiblement constante les deux groupes de flotteurs 30a-30b, pour éviter qu'ils ne s'entrechoquent sous l'effet de la houle et du courant, tout en autorisant les mouvements relatifs selon une direction correspondant sensiblement à l'axe des conduites verticales.
    De la même manière, dans la figure 7, on reste dans le cadre de l'invention si l'on remplace les colliers 25 et bagues coulissantes 26 servant à guider les deux risers verticaux dans la partie courante, par des barres articulées similaires à celles précédemment décrites pour le guidage des flotteurs 30.

    Claims (17)

    1. Installation de liaison fond-surface pour conduite sous-marine (11) reposant au fond de la mer, notamment à grande profondeur, comprenant :
      I) au moins un riser vertical (5) relié à son extrémité inférieure à au moins une conduite sous-marine (11) reposant au fond de la mer, et à son extrémité supérieure à au moins un flotteur (6), et
      II) de préférence au moins une conduite de liaison (3), de préférence encore une conduite flexible, assurant la liaison entre un support flottant (1) et l'extrémité supérieure (4) dudit riser vertical (5), et
      III) la liaison entre l'extrémité inférieure (51) dudit riser vertical (5) et une dite conduite sous-marine (11) reposant au fond de la mer se fait par l'intermédiaire d'un système d'ancrage comprenant une embase (151, 152) posée sur le fond,
      caractérisée en ce que :
      a- l'extrémité inférieure (51) du riser vertical (5) est reliée à l'extrémité de la conduite (11) reposant au fond de la mer par au moins un premier élément de conduite flexible (12) qui présente une courbure en forme de coude, et
      b- ladite embase comprend une plateforme (151) reposant au sol et une structure supérieure (152) solidaire de ladite plateforme qui maintient en position lesdites extrémités de ladite conduite sous-marine (11) reposant au fond et dudit riser vertical raccordées audit premier élément de conduite flexible, de sorte que :
      l'extrémité dudit premier élément de conduite flexible (12) raccordée à l'extrémité inférieure (51) du riser (5) vertical est maintenue en position fixe (153) par rapport à ladite embase (151, 152), et
      de préférence, les axes (XX', YY') desdites extrémités de ladite conduite sous-marine (11) reposant au fond et dudit riser vertical (5) raccordées audit premier élément de conduite flexible (12) sont maintenus dans un même plan perpendiculaire à ladite plateforme.
    2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que :
      a) ledit riser vertical (5) comprend à son extrémité inférieure (51) une portion de conduite rigide terminale (13) reliée à la partie supérieure (52) dudit riser vertical par un deuxième élément de conduite flexible (14), lequel autorise des mouvements angulaires α de ladite partie supérieure (52) par rapport à ladite portion de conduite rigide terminale (13), et
      b) ladite embase (151, 152) comprend une structure supérieure (152) qui maintient rigidement en position fixe (153) par rapport à l'embase, ladite portion de conduite rigide terminale (13) dudit riser vertical (5) dont l'extrémité est reliée audit premier élément de conduite flexible (12).
    3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite embase (151,152) comprend des supports de fixation (161) aptes à maintenir en position fixe par rapport à l'embase l'extrémité dudit élément de conduite flexible (12) raccordée à l'extrémité de ladite conduite sous-marine (11) reposant au fond.
    4. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite embase (151, 152) comprend des éléments de guidage (19) qui autorisent le déplacement en translation longitudinale de l'extrémité de ladite conduite sous-marine (11) reposant au fond le long de son axe XX'.
    5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits éléments de guidage comprennent des rouleaux ou des patins de frottement (19) sur lesquels ladite extrémité de conduite sous-marine (11) reposant au fond peut coulisser en translation longitudinale dans l'axe XX' de ladite extrémité.
    6. Installation selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de guidage comprennent des dispositifs anti-rotation (191, 192) qui empêchent la rotation de ladite extrémité de ladite conduite sous-marine (11) autour de son dit axe longitudinal (XX').
    7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, ladite embase comprend une dite structure supérieure (152) solidaire d'une dite plateforme (151), ladite structure supérieure formant une console en élévation par rapport à ladite plateforme, ladite plateforme étant de préférence solidaire dedits moyens de guidage (19) consistant de préférence encore en des rouleaux répartis de part et d'autre de la base de ladite console reposant sur ladite plateforme, et ladite console comprend dans sa partie en élévation par rapport à ladite plateforme un verrou (153) permettant de bloquer ladite extrémité inférieure (51, 13) dudit riser.
    8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite embase comprend une plateforme (151), laquelle coopère avec des éléments de stabilisation (17, 18) comprenant des corps morts (18) posés par-dessus ladite plateforme (151) et/ou des ancres à succion (17) traversant (163) ladite plateforme pour être enfoncées dans le sol.
    9. Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de liaison (4, 7) entre ledit flotteur (6) et l'extrémité supérieure (52) dudit riser (5), comprenant :
      un troisième élément de conduite souple (7) dont les extrémités sont encastrées au niveau respectivement de la sous-face dudit flotteur (6) et de l'extrémité supérieure dudit riser vertical (5),
      la liaison de ladite troisième conduite souple (7) à l'extrémité supérieure dudit riser (5) se faisant par l'intermédiaire d'un dispositif en forme de col de cygne (4), lequel dispositif en forme de col de cygne (4) assure aussi la liaison entre ledit riser (5) et une dite conduite de liaison (3) avec le support flottant, de préférence une dite conduite flexible (3),
      ladite troisième conduite souple (7) étant de préférence prolongée à travers ledit flotteur (6) par une conduite tubulaire rigide (8) traversant le flotteur de part en part, de sorte que l'on peut intervenir à l'intérieur dudit riser vertical (5) à partir de la partie supérieure du flotteur (6) à travers ladite conduite tubulaire rigide (8), puis ledit dispositif de liaison constitué de ladite troisième conduite souple (7) et à travers ledit dispositif en forme de col de cygne (4), de façon à accéder à l'intérieur dudit riser (5) et le nettoyer par injection de liquide et /ou par raclage de la paroi interne dudit riser (5), puis de ladite conduite sous-marine (11) reposant au fond de la mer.
    10. Installation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend :
      au moins deux dits risers verticaux (5a, 5b) sensiblement parallèles et rapprochés, reliés à leur extrémité supérieure à au moins un flotteur et,
      au moins deux dites conduites reposant au fond de la mer (11), et
      ladite embase (151, 152) maintenant les extrémités inférieures (13) desdits risers verticaux (5) en position fixe par rapport à l'embase, et
      ladite installation comprenant au moins deux dits éléments de conduite flexible (12) reliant les extrémités des conduites sous-marines reposant au fond de la mer (11) et lesdites extrémités inférieures (13) desdits risers verticaux.
    11. Installation selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que les au moins deux dites conduites sous-marines (111, 112) reposant sur le fond de la mer sont assemblées en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple (113), permettant de confiner un matériau isolant (114), de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdites conduites sous-marines (111, 112).
    12. Installation selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que :
      au moins deux dites conduites sous-marines (111, 112) reposant sur le fond de la mer sont assemblées en faisceau au sein d'une même enveloppe (113) de protection souple permettant de confiner un matériau isolant (114), de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdites conduites, et
      au moins deux dits risers verticaux (5a, 5b) sont assemblés en faisceau au sein d'une même enveloppe de protection souple permettant de confiner un matériau isolant, de préférence de la paraffine ou un composé gélifié, entourant lesdits risers,
      la liaison entre chacune des conduites élémentaires du faisceau, depuis la conduite du faisceau reposant sur le fond vers la conduite correspondante du faisceau vertical étant constitué par au moins un dit premier élément de conduite flexible.
    13. Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce qu'un premier et un deuxième risers verticaux (5a, 5b) sont maintenus sensiblement parallèles au moyen d'un système de liaison coulissant (25-27) autorisant les déplacements axiaux dudit premier riser (5a) par rapport audit deuxième riser (5b), ledit système de liaison comprenant un collier tubulaire (25) fixé autour dudit premier riser (5a), ledit collier (25) étant relié rigidement (27) à une bague tubulaire (26) coulissant librement autour dudit deuxième riser (5b), de préférence une pluralité de dits colliers (25) d'un même système de liaison coulissant (281) étant répartis le long de chacun desdits risers (5a, 5b) en alternance avec desdites bagues (26) d'un autre dit système de liaison (282) sur un même dit riser (5a, 5b).
    14. Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un flotteur, de préférence un groupe comprenant une pluralité de flotteurs (30a, 30b) au sommet de chacun des au moins deux dits risers verticaux (5a, 5b), lesdits flotteurs (30a, 30b) étant maintenus solidaires au moyen d'une structure (33, 34, 35 et 36) les supportant et autorisant des déplacements verticaux relatifs de chacun desdits groupes de flotteurs l'un par rapport à l'autre.
    15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que ladite structure supportant lesdits groupes de flotteurs comprend des structures articulées en forme de parallélogrammes déformables par translation verticale (33, 34a, 34b).
    16. Installation selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que ledit riser vertical (5) comprend dans sa partie supérieure au-dessus dudit deuxième élément de conduite flexible (14) un système de conduites isolées constitué d'un ensemble de deux conduites coaxiales comprenant une conduite interne (52) et une conduite externe (53), un fluide ou matériau isolant (54) ou encore du vide étant placé de préférence entre les deux dites conduites (52, 53).
    17. Procédé de mise en place d'une installation selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes dans lesquelles :
      1) on pré-assemble successivement bout à bout en alignement ladite conduite (11) destinée à reposer au fond de la mer, ledit premier élément de conduite flexible (12), ladite conduite rigide destinée à constituer ledit riser vertical (5), et le cas échéant et de préférence, ledit deuxième élément de conduite flexible,
      2) on met en place une dite embase (151, 152) coopérant avec l'assemblage obtenu à l'étape 1, de sorte que :
      ladite conduite destinée à reposer au fond de la mer et ladite conduite rigide destinée à constituer ledit riser vertical sont fixées sur ladite plateforme (151), de préférence à proximité des extrémités desdites conduites (11, 13), reliées auxdits éléments de conduite flexibles (12, 14) et
      l'extrémité dudit premier élément de conduite flexible (12) raccordée à l'extrémité inférieure (51, 13) dudit riser vertical, n'est pas maintenue par ladite structure supérieure (152) de l'embase,
      3) On remorque en mer l'assemblage obtenu après l'étape 2 jusqu'au site voulu et,
      4) on dépose sur le fond de la met ladite embase (151, 152) que l'on stabilise de préférence avec desdits éléments de stabilisation (17, 18) et
      5) on désolidarise (162) de l'embase ledit riser (5, 13), puis
      6) on solidarise (153) ladite extrémité inférieure (13) dudit riser (5) avec ladite structure supérieure (152) de l'embase pour la maintenir dans ladite position verticale fixe par rapport à l'embase.
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