Systèmes de tensionnement de riser

À quoi sert un tendeur de riser

Le sommet du riser est équipé d’un joint télescopique. Son tube intérieur est suspendu à l’unité sous le plancher de forage et coulisse dans le tube extérieur, qui forme le haut du riser. Les tendeurs sont fixés à l’anneau de tensionnement du tube extérieur et soutiennent le riser à cet endroit (Figure 1). Pendant le pilonnement de l’unité, le tube intérieur coulisse et les tendeurs parcourent leur course, tandis que le riser situé en dessous reste en place.

Chaque tendeur est un vérin hydraulique qui travaille contre un gaz à haute pression. Quand l’unité monte, le tendeur se déploie, refoule l’huile dans ses bouteilles de gaz et comprime le gaz : la tension augmente légèrement. Quand l’unité descend, le gaz repousse l’huile et la tension diminue légèrement. Le gaz constitue le ressort, et son volume détermine l’ampleur de cette variation.

Tension nécessaire dans un riser

Le riser doit rester sous tension sur toute sa longueur pour éviter le flambage. La tension en tête limite aussi les angles de ses joints flexibles sous l’effet du courant et lorsque l’unité dérive par rapport au puits. API RP 16Q définit le minimum par un bilan à l’anneau de tensionnement, appelé « slip ring » dans la norme :

Ici W_s représente le poids immergé du riser et B_n la portance nette de ses modules de flottabilité. Les facteurs f_{wt} \ge 1.05 et f_{bt} \le 0.96 tiennent compte de la tolérance sur le poids ainsi que de la perte de flottabilité due à la compression et à l’absorption d’eau. A_i est la section intérieure du riser, y compris ses lignes de choke, de kill et auxiliaires ; d_m H_m et d_w H_w correspondent aux pressions, au pied du riser, de la colonne de boue intérieure et de la colonne d’eau de mer extérieure.

Les tendeurs doivent fournir davantage, car certains peuvent tomber en panne simultanément et une petite partie de l’effort se perd avant d’atteindre l’anneau :

avec N câbles ou vérins de tensionnement, n d’entre eux susceptibles de tomber brusquement en panne, et R_f, généralement compris entre 0.90 et 0.95, pour tenir compte de l’angle de déviation du câble par rapport à la verticale et des frottements.

Exemple chiffré : un riser de 1,500 m

1. Les données d’entrée. Valeurs arrondies à titre d’illustration : 1,500 m de riser, d’un poids immergé de 900 t et d’une portance de 800 t, et A_i = 0.22\ \text{m}^2 pour la section intérieure et ses lignes. La boue a une densité de 1.50 SG, contre 1.025 pour l’eau de mer ; les deux colonnes sont prises égales à 1,500 m. Douze câbles de tensionnement, dont une unité double (deux câbles) peut tomber brusquement en panne, et R_f = 0.95.
2. À l’anneau de tensionnement. En tonnes, avec des masses volumiques en t/m³, le terme du poids vaut 900 \cdot 1.05 = 945, celui de la flottabilité 800 \cdot 0.96 = 768 et celui de la boue 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, d’où
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. Réglage des tendeurs.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   Cela représente environ 4.1 MN, soit 930 kips.

La flottabilité compense la majeure partie du poids de l’acier, et les seuls facteurs de tolérance ajoutent environ 80 t : 5 % sur 900 t et 4 % retranchés de 800 t. La profondeur d’eau et la densité de la boue déterminent le reste. Le même riser dans 3,000 m d’eau, avec une boue de 1.8 SG, nécessite environ 1,100 t. Les unités de forage en eau profonde disposent d’une capacité de tensionnement d’environ 1,400 à 1,800 t pour couvrir ce minimum, l’augmentation de tension sur la course et le supplément exigé par le courant et l’écart de position.

Un calcul réel utilise les poids figurant dans les fiches techniques des éléments du riser et vérifie la tension effective sur toute sa longueur, et pas seulement en tête. La limite supérieure est également imposée par le riser, le joint télescopique et l’anneau de tensionnement, ainsi que par la tête de puits et le conducteur.

Course et volume de gaz

La course doit couvrir le pilonnement de l’unité au niveau du riser, l’abaissement relatif lorsque l’unité dérive par rapport au puits, la marée et l’allongement du riser, avec une marge à chaque extrémité pour éviter toute butée. Les unités de forage en eau profonde offrent environ 15 m (50 ft) de course utile.

La variation de tension sur cette course dépend du gaz. Pour un volume de gaz V_0 à mi-course et une surface de piston A, un déplacement x depuis la mi-course qui comprime le gaz donne

où \kappa varie de 1.0 pour une compression lente et isotherme à environ 1.4 pour une compression rapide et adiabatique d’un gaz parfait. À la pression de service d’un tendeur, comprise entre 100 et 200 bar, l’azote réel est encore plus raide : les courses rapides nécessitent donc plus de gaz. Plus le volume de gaz est grand par rapport au volume balayé par la course, plus la courbe est plate (Figure 2). Pour maintenir la tension dans une plage de ±5 % sur toute la course, il faut par exemple un volume de gaz environ 14 fois supérieur au volume balayé. C’est pourquoi les systèmes de tensionnement comportent des batteries de grandes bouteilles de gaz.

Ce même ressort à gaz donne au riser et à ses tendeurs une période propre verticale, à comparer aux périodes de houle de l’opération. Cette vérification est surtout importante lorsque le riser est déconnecté et suspendu aux tendeurs, sans retenue à son extrémité inférieure.

Tendeurs à câbles et à action directe

Câbles de tensionnement

Dans un système à câbles, ce sont les câbles qui s’usent. Les unités actuelles emploient des câbles d’une capacité allant jusqu’à environ 250 kips chacun. À chaque cycle de houle, les mêmes quelques mètres de câble fléchissent sur les poulies, tandis que l’air salin les corrode. Les unités déplacent donc périodiquement le câble pour répartir l’usure (opération « slip and cut »), l’inspectent et le remplacent en fin de vie. Le câble est spécifié selon API Spec 9A ; son entretien et son utilisation suivent API RP 9B. Les poulies de renvoi sont disposées de manière à limiter l’angle de déviation du câble, ce qui dirige une plus grande part de sa tension vers le levage du riser et prolonge sa durée de vie.

Risers de production

Les risers de production à tension en tête des plateformes à lignes tendues et des plateformes de type spar sont soutenus de la même manière, par des tendeurs hydropneumatiques ou, sur certains spars, par des flotteurs. Dans ce cas, la tension est réglée pour la durée de vie du champ plutôt que pour une campagne de forage.

Cas de dimensionnement à couvrir par le tendeur

1. Défaillance d’un tendeur. Le facteur N/(N – n) permet aux tendeurs restants de maintenir la tension minimale si un tendeur tombe en panne, ou une unité double selon la répartition du système. Dans un système à action directe, un vérin défaillant peut aussi exercer une traction vers le bas sur l’anneau de tensionnement ; cette charge s’ajoute au minimum.
2. Rebond après une déconnexion d’urgence. Lorsque le module inférieur du riser marin (LMRP) se déconnecte du BOP en urgence, les tendeurs continuent de tirer avec une force de plusieurs centaines de tonnes sur un riser qui a perdu sa liaison inférieure, tandis que la boue commence à s’en écouler. La tension doit dégager le LMRP du BOP sans qu’il retombe sur l’ensemble, mais le riser ne doit ni remonter brutalement dans l’unité, ni détendre les câbles des tendeurs, ni écraser le joint télescopique. Un système anti-rebond limite le débit entre les bouteilles de gaz et les vérins ; une analyse du rebond définit la tension et les réglages anti-rebond pour chaque densité de boue.
3. Marge de course. Le pilonnement, l’abaissement relatif, la marée et l’allongement doivent rester dans la course disponible, avec une marge aux deux extrémités, pour tous les états de mer dans lesquels l’unité reste connectée. Si elle perd sa position, la course restante fait partie des critères qui déterminent quand commencer la déconnexion.
4. Limite supérieure de tension. Une boue lourde rapproche la tension minimale de la limite admissible pour le riser, l’anneau de tensionnement, la tête de puits et les tendeurs eux-mêmes. La hausse de tension sur la course doit également rester sous cette limite.

Tensionnement de secours et SIRIUS

Un tendeur peut être mis hors service à cause d’une défaillance de joint, d’un remplacement de câble ou d’une opération de maintenance. Si une unité est indisponible, les autres reprennent sa part et la marge prévue pour la défaillance suivante diminue ; il peut alors falloir réduire la densité de la boue ou resserrer les limites opérationnelles jusqu’à sa remise en service. Un tendeur de secours reprend la part de l’unité indisponible pendant la remise en état du système principal.

À titre d’ordre de grandeur, un tendeur de secours remplaçant une unité double à câbles reprend environ 230 t, soit la charge de deux câbles de 250-kip.

SIRIUS, notre famille de tendeurs polyvalents en développement, peut remplir ce rôle de secours : des unités installées en surface, à amortissement réglé manuellement, prévues pour 5 à 5,000 t et une course de 1 à 12 m, destinées au tensionnement de riser de secours, au reconditionnement de puits et à d’autres applications à tension constante. La technologie de SIRIUS n’est pas nouvelle : notre équipe a déjà livré des tendeurs à longue course, dont un tendeur de forage de 500 t avec une course de 8 m.

Les tendeurs de riser et les compensateurs de pilonnement pour levage reposent sur le même principe : un vérin travaillant contre un ressort à gaz. Leurs critères d’évaluation diffèrent. Pour un tendeur, on examine la stabilité de la tension sur la course et le fonctionnement pendant des semaines. Pour un compensateur de levage, on examine la part du mouvement du navire transmise à la charge pendant une opération de levage. Pour la compensation d’une colonne de reconditionnement ou d’un tube spiralé déployé depuis une grue, voir compensation de pilonnement pour tube spiralé.