WO1993006002A1 - Plate-forme petroliere flottante a pilonnement controlable - Google Patents

Plate-forme petroliere flottante a pilonnement controlable Download PDF

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WO1993006002A1
WO1993006002A1 PCT/FR1992/000889 FR9200889W WO9306002A1 WO 1993006002 A1 WO1993006002 A1 WO 1993006002A1 FR 9200889 W FR9200889 W FR 9200889W WO 9306002 A1 WO9306002 A1 WO 9306002A1
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flotation
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column
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Jean-Luc Delrieu
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Elf Aquitaine Production
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    • B63B2001/044—Hydrodynamic or hydrostatic features of hulls or of hydrofoils deriving lift mainly from water displacement with single hull with a small waterline area compared to total displacement, e.g. of semi-submersible type

Definitions

  • the present invention relates to a floating oil platform with controllable heaving and, more particularly to such a platform intended to be installed in a calm sea.
  • Floating oil platforms of the semi-submersible type are subject to the movement of the swell, which, during the passage of a wave, causes a vertical movement of the platform which tends to maintain its level of flotation relative to the sea surface.
  • Each sea has specific geographical conditions which give the swell associated characteristics: average height of the waves and frequency of the swell.
  • the shape and dimensions of a platform give a particular response time when passing a wave. Therefore, in order to avoid problems of resonance, the natural periods of the swell and the platform must be sufficiently different.
  • the present invention therefore relates to a platform of which it can be ensured that the natural period is different from that of the swell in which the platform is installed.
  • the invention provides a floating oil platform with controllable heaving comprising a bridge and a flotation assembly, which, in order to control the response of the platform to the movement of the sea in which it is installed, comprises a tidal chamber open to the sea and connected to a gas tank by a circulation pipe fitted with a restriction.
  • the flotation assembly comprises two gas tanks arranged on either side, in the vertical plane, of the tidal chamber and connected to the latter by the circulation duct.
  • This type of platform is particularly suitable for calm seas with long swell periods, for example the Gulf of Guinea.
  • the invention provides a platform, the bridge of which comprises support cages arranged around its periphery, each support cage being intended to receive the end of an associated flotation column, the columns flotation being connected to their associated support cages only under the effect of their thrust, the columns not being interconnected.
  • Such a structure has advantages in terms of manufacturing cost and allows the platform to be assembled directly on site, the flotation columns being manufactured in the installation region and only the bridge being built in a distant shipyard. In addition, such a platform can be installed without using heavy equipment.
  • the bridge is an independent barge which arrives on site fully equipped.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of one of the columns used in the platform of Figure 1;
  • FIGS. 3A and 3B are each a longitudinal sectional view of a column according to a second embodiment of the invention.
  • an oil platform with controllable buoyancy is generally represented at 10.
  • the platform 10 comprises a floating bridge 12 which is mounted on the upper ends of flotation columns 14 which form a flotation assembly.
  • the platform 10 comprises at least four columns 14 and in the example illustrated it comprises six.
  • the six flotation columns are substantially identical and will be described in more detail below.
  • the columns may have a rectangular section, or, preferably circular.
  • a drilling mast, shown diagrammatically at 16, is mounted on deck 12.
  • the bridge 12 is provided with six support cages 18 arranged around its periphery, each intended to receive the upper end of an associated flotation column 14. As shown in FIG.
  • the upper end 20 of the column 14 bears on the lower surface 22 of the cage 18 by means of a set of blocks 24 made of elastomeric material, arranged in a circle on the lower surface 18 , which distribute the load on the end of the column 14 and which form a joint.
  • a set of blocks 24 made of elastomeric material, arranged in a circle on the lower surface 18 , which distribute the load on the end of the column 14 and which form a joint.
  • Other types of articulation for example a spherical bearing, can also be used.
  • Each column 14 having the shape of a tube with closed ends, is preferably made of concrete.
  • each is provided with ballast and a set of chambers connected to each other by passages forming a damping system.
  • a ballast chamber 26 is formed, containing ballast 28 and separated from a first gas tank 30 by a partition 32.
  • a second partition 34 separates the first tank 30 d 'a marnante chamber 36, open outside the column 14 by an opening 38 and delimited by a third partition 40.
  • a second gas tank 42 is defined between the third partition 40 and a fourth partition 44.
  • a duct 46 of gas circulation passes through the second reservoir 42 in a sealed manner, connects the marnage chamber 36 to a valve 48 forming a calibrated orifice.
  • the valve 48 is connected by a gas circulation conduit 50 to the first reservoir 30, the conduit 50 also communicating with the second reservoir 42 through an opening 52.
  • the first and second reservoirs 30, 42 may contain an inert gas such as nitrogen but, in a preferred example, they contain air.
  • the mode of operation of the columns 14 will now be studied by taking for example an oil platform whose dimensions of the bridge 12 are 80mx50mxl5m.
  • each column 14 has a length of 170 m, a diameter of 18 m and is formed of concrete having a thickness of 60 cm.
  • the column is ballasted with 22,000 tonnes of ballast which, in the example illustrated is iron ore of density 3.3 .
  • the ballast chamber has a height of about 35 m corresponding to that of the first tank 30.
  • the second tank has a height of about 50 m and the opening 38 is located about 95 m from the upper end of the column , which corresponds to a depth below the surface of the water of about 75 m.
  • the opening 38 being 75 m below the surface of the sea, the water enters the marnage chamber 36 compressing the air inside the tanks 30, 36 and 42 until there is equilibrium pressure between air and water at a depth of 75 m.
  • the pressure stabilizes at 7.5 bars above atmospheric pressure, the tidal chamber being partially filled with water as shown in Figure 2.
  • a wave having , for example, a height of 3 m from the mean sea level, the pressure in the tidal chamber 36 increases from 7.5 to 7.6 bars, the overpressure due to the wave weakening with depth. It is 0.3 bar at the surface and much less at 75 m, depending on the period of the wave.
  • the valve 48 forming a calibrated orifice, the air passage towards the tanks 30 and 42, and thus the equalization of the pressures inside the column, are delayed relative to the passage of the swell. Then, the wave passes and the pressure prevailing in the tidal chamber 36 drops from 7.6 bars to 7.5 bars.
  • the air in the tanks 30 and 42 is at an overpressure relative to the flow chamber 36 causing a displacement of the air by the conduits 50 and 46 and the valve 48, from the tanks 30 and 42 towards the flow chamber 36. This air passage is also braked by the calibrated orifice.
  • each column 14 makes it possible to lengthen the natural period of movement of the platform 10 resulting from the passage of the swell so that the natural period of the swell and that of the flat -form are different.
  • the damping system makes it possible to extend the natural periods up to 35 or 40 seconds and dampen vertical movements up to 45% of critical damping.
  • the floating bridge 12 and the six columns 14 are manufactured separately and are then towed to the site where the platform will be installed.
  • the floating bridge 12 includes a barge. Columns 14 are towed empty, placed horizontally on a barge, and are then launched on site. The columns 14 are then ballasted with sea water so that they assume a vertical position. Each column is loaded with ballast from an ore carrier and then an additional amount of seawater is introduced into the column so that it has an air draft of approximately 5 m. Once the six columns 14 are ballasted, the bridge 12 is placed in its place between the columns so that the upper ends 20 are each adjacent to the associated support cage 18. The water in each column 14 which formed the additional ballast is discharged, increasing the air draft of the columns from 5 m to 20 m, and thus lifting the bridge 12 from the surface of the sea.
  • the lower part of the bridge does not need to be very high above the water, which promotes stability.
  • the center of thrust of each column is well above its center of gravity, which gives the columns a large stability.
  • the columns 14 are connected to the bridge 12 only under the effect of their own thrust, coming to bear on the articulations arranged in the support cages 18.
  • the columns 14 are not interconnected, which allows them a certain angular displacement under the effect of the current and the swell.
  • the simplified structure of the platform according to the present invention allows its assembly directly on site, without having to use a derrick-barge or other heavy equipment.
  • the floating bridge 12 arrives fully equipped on site, which saves considerable time and money.
  • the nature of the platform allows wellheads to be installed on the platform rather than on the seabed, which has significant advantages.
  • the valve 48 forming the restriction to the passage of air has an adjustable opening making it possible to respond to variable conditions of the swell.
  • FIG. 3A and 3B is shown a second embodiment of the invention.
  • a ballast chamber 86 containing ballast 88 and separated from a first gas tank 90 by a partition 92.
  • a second partition 94 separates the first tank 90 of a tidal chamber 96, open outside the column 14 by an opening 98 and delimited by a third partition 100.
  • a second gas tank 102 is defined between the third partition 100 and a fourth partition 104.
  • a conduit 106 of gas circulation crosses the second reservoir 102 in a leaktight manner via a conduit 107 and connects the marnante chamber 96 to a valve 108 forming a calibrated orifice.
  • the conduit 107 allows the filling of the ballast chamber through an opening 112.
  • the valve 108 is connected by a gas circulation conduit 110 to the first tank 90.
  • the first and second tanks 90, 102 can contain an inert gas such as l but, in a preferred example, they contain air.
  • the operation of this type of column is substantially similar to that of the previous embodiment.

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Abstract

Plate-forme pétrolière flottante à pilonnement contrôlable comprenant un pont (12) et un ensemble de flottaison (14). Selon l'invention, afin de contrôler la réponse de la plate-forme au mouvement de la mer dans laquelle elle est installée, l'ensemble de flottaison (14) comprend une chambre marnante (36) ouverte à la mer et reliée à un réservoir à gaz (30; 42) par un conduit de circulatin (46; 50) muni d'une restriction (48).

Description

PLATE-FORME PETROLIERE FLOTTANTE A PILONNEMENT CONTROLABLE
La présente invention se rapporte à une plate-forme pétrolière flottante à pilonnement contrôlable et, plus particulièrement à une telle plate-forme destinée à être installée dans une mer calme.
Les plates-formes pétrolières flottantes du type semi-submersible sont assujetties au mouvement de la houle, qui, lors du passage d'une vague, provoque un mouvement vertical de la plate-forme qui tend à maintenir son niveau de flottaison par rapport à la surface de la mer. Chaque mer a des conditions géographiques particulières qui donnent à la houle des caractéristiques associées : hauteur moyenne des vagues et fréquence de la houle. La forme et les dimensions d'une plate-forme donnent un temps de réponse particulier lors du passage d'une vague. Donc, afin d'éviter des problèmes de résonance il faut que les périodes propres de la houle et de la plate-forme soient suffisamment différentes. La présente invention a donc pour objet une plate¬ forme dont on peut assurer que la période propre est différente de celle de la houle dans laquelle est installée la plate-forme.
Pour ce faire, l'invention propose une plate-forme pétrolière flottante à pilonnement contrôlable comprenant un pont et un ensemble de flottaison, qui, afin de contrôler la réponse de la plate-forme au mouvement de la mer dans laquelle elle est installée, comprend une chambre marnante ouverte à la mer et reliée à un réservoir à gaz par un conduit de circulation muni d'une restriction. Selon l'invention, l'ensemble de flottaison comprend deux réservoirs à gaz disposés de part et d'autre, dans le plan vertical, de la chambre marnante et reliés à celle-ci par le conduit de circulation. Ce type de plate-forme est particulièrement adapté aux mers calmes à longue période de houle, par exemple le Golfe de Guinée. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une plate-forme dont le pont comprend des cages d'appui disposées autour de sa périphérie, chaque cage d'appui étant destinée à recevoir l'extrémité d'une colonne de flottaison associée, les colonnes de flottaison étant reliées à leurs cages d'appui associées uniquement sous l'effet de leur poussée, les colonnes n'étant pas reliées entre elles.
Une telle structure présente des avantages de coût de fabrication et permet l'assemblage de la plate-forme directement sur site, les colonnes de flottaison étant fabriquées dans la région d'installation et seul le pont étant construit dans un chantier naval éloigné. De plus, une telle plate-forme peut être installée sans avoir recours à du matériel lourd. Le pont est une barge indépendante qui arrive sur site entièrement équipée.
Les avantages, ainsi que le fonctionnement de la présente invention, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite d'une manière non limitative en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une plate-forme pétrolière en mer selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une des colonnes utilisées dans la plate-forme de la figure 1 ; et
- les figures 3A et 3B sont chacune une vue en coupe longitudinale d'une colonne selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Sur la figure 1, une plate-forme pétrolière à flottabilité contrôlable est représentée généralement en 10. La plate-forme 10 comprend un pont flottant 12 qui est monté sur les extrémités supérieures de colonnes de flottaison 14 qui forment un ensemble de flottaison. La plate-forme 10 comprend au moins quatre colonnes 14 et dans l'exemple illustré elle en comprend six. Les six colonnes de flottaison sont sensiblement identiques et seront décrites plus en détail ci-après. Les colonnes peuvent avoir une section rectangulaire, ou, de préférence circulaire. Un - mât de forage, représenté schématiquement en 16, est monté sur le pont 12. Le pont 12 est muni de six cages d'appui 18 disposées autour de sa périphérie, chacune destinée à recevoir l'extrémité supérieure d'une colonne de flottaison 14 associée. Comme représenté sur la figure 2, l'extrémité supérieure 20 de la colonne 14 prend appui sur la surface inférieure 22 de la cage 18 par l'intermédiaire d'un ensemble de blocs 24 en matériau élastomère, disposés en cercle sur la surface inférieure 18, qui permettent de répartir la charge sur l'extrémité de la colonne 14 et qui forment une articulation. D'autres types d'articulation, par exemple une portée sphérique, peuvent aussi être utilisés.
Chaque colonne 14 ayant la forme d'un tube aux extrémités fermées, est fabriquée de préférence en béton. Afin de donner aux colonnes 14 une flottabilité contrôlable, chacune est munie de lest et d'un ensemble de chambres reliées entre elles par des passages formant un système d'amortissement.
A l'extrémité inférieure, en regardant le dessin de la colonne est formée une chambre à lest 26, contenant du ballast 28 et séparée d'un premier réservoir 30 à gaz par une cloison 32. Une deuxième cloison 34 sépare le premier réservoir 30 d'une chambre marnante 36, ouverte à l'extérieur de la colonne 14 par une ouverture 38 et délimitée par une troisième cloison 40. Un deuxième réservoir 42 à gaz est défini entre la troisième cloison 40 et une quatrième cloison 44. Un conduit 46 de circulation gaz, traverse le deuxième réservoir 42 de façon étanche, relie la chambre marnante 36 à une vanne 48 formant un orifice calibré. La vanne 48 est reliée par un conduit 50 de circulation de gaz au premier réservoir 30, le conduit 50 communiquant également avec le deuxième réservoir 42 par une ouverture 52. Les premier et deuxième réservoirs 30, 42 peuvent contenir un gaz inerte tel que l'azote mais, dans un exemple préféré, ils contiennent de l'air. Le mode de fonctionnement des colonnes 14 sera maintenant étudié en prenant pour exemple une plate-forme pétrolière dont les dimensions du pont 12 sont 80mx50mxl5m. Pour une telle plate-forme, chaque colonne 14 a une longueur de 170 m, un diamètre de 18 m et est formée en béton ayant une épaisseur de 60 cm. Afin d'assurer que le centre de gravité de la colonne 14 se situe en-dessous du centre de poussée, la colonne est lestée avec 22 000 T de ballast qui, dans l'exemple illustré est du minerai de fer de densité 3,3. La chambre à lest a une hauteur d'environ 35 m correspondant à celle du premier réservoir 30. Le deuxième réservoir a une hauteur d'environ 50 m et l'ouverture 38 se situe à environ 95 m de l'extrémité supérieure de la colonne, ce qui correspond à une profondeur sous la surface de l'eau d'environ 75 m.
L'ouverture 38 se trouvant à 75 m sous la surface de la mer, l'eau entre dans la chambre marnante 36 comprimant l'air à l'intérieur des réservoirs 30, 36 et 42 jusqu'à ce qu'il y ait équilibre de pression entre l'air et l'eau à une profondeur de 75 m. La pression se stabilise à 7,5 bars au- dessus de la pression atmosphérique, la chambre marnante étant remplie partiellement d'eau comme indiqué sur la figure 2. Lors du passage, au-dessus de la colonne 14, d'une vague ayant, par exemple, une hauteur de 3 m par rapport au niveau moyen de la mer, la pression régnant dans la chambre marnante 36 augmente de 7,5 à 7,6 bars, la surpression due à la vague s'affaiblissant avec la profondeur. Elle est de 0,3 bar en surface et beaucoup moins à 75 m, selon la période de la vague. L'eau pénètre dans la chambre marnante et l'air déplacé de celle-ci par cette surpression passe par le conduit 46 et la vanne 48 vers les réservoirs 30 et 42. La vanne 48 formant un orifice calibré, le passage d'air vers les réservoirs 30 et 42, et ainsi l'égalisation des pressions à l'intérieur de la colonne, sont retardés par rapport au passage de la houle. Ensuite, la vague passe et la pression régnant dans la chambre marnante 36 baisse de 7,6 bars à 7,5 bars. L'air dans les réservoirs 30 et 42 se trouve à une surpression par rapport à la chambre marnante 36 provoquant un déplacement de l'air par les conduits 50 et 46 et la vanne 48, des réservoirs 30 et 42 vers la chambre marnante 36. Ce passage d'air est également freiné par l'orifice calibré. L'eau quitte la chambre marnante en retard sur la crête de la vague.
Ainsi, le système d'amortissement disposé à l'intérieur de chaque colonne 14 permet d'allonger la période propre du mouvement de la plate-forme 10 résultant du passage de la houle afin que la période propre de la houle et celle de la plate-forme soient différentes. Dans l'exemple illustré, où la plate-forme est destinée à être installée dans une mer où la période propre moyenne de la houle centennale est de 18 secondes, le système d'amortissement permet d'allonger les périodes propres jusqu'à 35 ou 40 secondes et d'amortir les mouvements verticaux jusqu'à 45 % de l'amortissement critique.
La fabrication et la mise en fonctionnement de la plate-forme décrite ci-avant seront maintenant étudiés.
Le pont flottant 12 et les six colonnes 14 sont fabriqués séparément puis sont remorqués sur le site où sera installée la plate-forme. Le pont flottant 12 comprend une barge. Les colonnes 14 sont remorquées vides, disposées horizontalement sur une barge, puis sont mises à l'eau sur le site. Les colonnes 14 sont ensuite lestées avec de l'eau de mer afin qu'elles prennent une position verticale. Chaque colonne est chargée de ballast à partir d'un minéralier et ensuite une quantité additionnelle d'eau de mer est introduite dans la colonne afin qu'elle ait un tirant d'air d'environ 5 m. Une fois que les six colonnes 14 sont lestées, le pont 12 est disposé à sa place entre les colonnes afin que les extrémités supérieures 20 se trouvent chacune adjacente à la cage d'appui 18 associée. L'eau dans chaque colonne 14 qui formait le lest additionnel est évacuée, augmentant le tirant d'air des colonnes de 5 m à 20 m, et soulevant ainsi le pont 12 de la surface de la mer.
Compte tenu du fait que la hauteur de houle centennale est faible dans le Golfe de Guinée, la partie inférieure du pont n'a pas besoin d'être très haute au-dessus de l'eau, ce qui favorise la stabilité. De plus, le centre de poussée de chaque colonne se trouve bien au-dessus de son centre de gravité, ce qui donne aux colonnes une grande stabilité. Les colonnes 14 sont reliées au pont 12 uniquement sous l'effet de leur propre poussée, venant en appui sur les articulations disposées dans les cages d'appui 18.
Il est à noter que les colonnes 14 ne sont pas reliées entre elles, ce qui leur permet un certain déplacement angulaire sous l'effet du courant et de la houle.
La structure simplifiée de la plate-forme selon la présente invention permet son assemblage directement sur site, sans avoir recours à un derrick-barge ou autre matériel lourd. Le pont flottant 12 arrive tout équipé sur site, ce qui présente une économie de temps et d'argent considérable. De plus, la nature de la plate-forme permet d'installer les têtes de puits sur la plate-forme plutôt que sur le fond marin, ce qui présente des avantages importants. La vanne 48 formant la restriction au passage d'air a une ouverture réglable permettant de répondre à des conditions variables de la houle.
Sur les figures 3A et 3B est représenté un deuxième mode de réalisation de l'invention. A l'extrémité inférieure, en regardant le dessin, de la colonne 14 est formée une chambre à lest 86, contenant du ballast 88 et séparée d'un premier réservoir 90 à gaz par une cloison 92. Une deuxième cloison 94 sépare le premier réservoir 90 d'une chambre marnante 96, ouverte à l'extérieur de la colonne 14 par une ouverture 98 et délimitée par une troisième cloison 100. Un deuxième réservoir 102 à gaz est défini entre la troisième cloison 100 et une quarième cloison 104. Un conduit 106 de circulation gaz, traverse le deuxième réservoir 102 de façon étanche par l'intermédiaire d'un conduit 107 et relie la chambre marnante 96 à une vanne 108 formant un orifice calibré. Le conduit 107 permet le remplissage de la chambre à lest par une ouverture 112. La vanne 108 est reliée par un conduit 110 de circulation de gaz au premier réservoir 90. Les premier et deuxième réservoirs 90, 102 peuvent contenir un gaz inerte tel que l'azote mais, dans un exemple préféré, ils contiennent de l'air. Le fonctionnement de ce type de colonne est sensiblement analogue à celui du mode de réalisation précédente.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Plate-forme pétrolière flottante à pilonnement contrôlable comprenant un pont (12) et un ensemble de flottaison (14) qui, afin de contrôler la réponse de la plate-forme au mouvement de la mer dans laquelle elle est installée, comprend une chambre marnante (36;96) ouverte à la mer et reliée à un réservoir à gaz (30;42;90;102) par un conduit de circulation (46,-50;106;110) muni d'une restriction (48;108), caractérisée en ce que l'ensemble de flottaison comprend deux réservoirs à gaz (30;42;90;102) disposés de part et d'autre, dans le plan vertical, de la chambre marnante (36;96) et reliés à celle-ci par le conduit de circulation (50;110) . 2 - Plate-forme selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'ensemble de flottaison (14) comprend au moins quatre colonnes de flottaison (14) , chacune d'elles comportant une chambre marnante (36;96) .
3 - Plate-forme selon la revendication 2 caractérisée en ce que le pont comprend des cages d'appui (18) disposées autour de sa périphérie, chaque cage d'appui étant destinée à recevoir l'extrémité d'une colonne de flottaison (14) associée. - Plate-forme selon la revendication 3 caractérisée en ce que les colonnes de flottaison (14) sont reliées à leurs cages d'appui (18) associées uniquement sous l'effet de leur poussée, les colonnes n'étant pas reliées entre elles. - Plate-forme selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que chaque cage d'appui (18) est munie d'une articulation (24) contre laquelle prend appui la colonne de flottaison (14) associée. - Plate-forme selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le pont (12) comprend une barge indépendante.
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