Alors que l'exploration et la production de pétrole en mer nécessitent de nouvelles façons d'améliorer l'efficacité opérationnelle et d'améliorer la récupération des réservoirs de pétrole, la fibre optique fait l'objet d'un examen plus approfondi.La fibre optique est connue pour transporter des débits de données plus élevés sur de plus longues distances que les câbles en cuivre.Alors que le forage en mer continue de migrer vers des eaux plus profondes et des puits plus profonds, les opérateurs recherchent des informations et des analyses en temps réel à la fois sur le puits individuel et sur l'ensemble de la chaîne de production, du puits à la livraison à la surface ou à la plate-forme terrestre.
Le traitement sous-marin et la surveillance accrue de l'ensemble du système signifient que davantage de données sont générées, ce qui rend la bande passante élevée et les distances de transmission plus longues des fibres optiques plus attrayantes.Plus l'information recueillie dans le système est importante, plus l'analyse devient sophistiquée.Les données permettent non seulement d'obtenir une image claire et en temps réel des conditions actuelles, mais constituent également la base d'une modélisation prédictive sophistiquée.
En plus de rendre les opérations plus efficaces, ce suivi et cette analyse aident les entreprises à augmenter le retour sur investissement.Un système à fibre optique peut généralement être plus coûteux à installer que son homologue électrique, mais les coûts initiaux élevés sont compensés par les économies réalisées grâce à l'efficacité de la production à long terme.
Les entreprises constatent qu'une efficacité opérationnelle accrue, une récupération plus importante et meilleure du pétrole et du gaz et une gestion supérieure des champs pétrolifères apportent un retour sur investissement rapide.Toute analyse des coûts/avantages de la fibre par rapport au cuivre dépendra de l'application spécifique et du champ pétrolifère.Le retour d'expérience économique des opérateurs est une information bienvenue, mais il est rarement donné pour protéger la confidentialité des opérations.
Détection passive à base de fibre
Les fibres optiques deviennent également plus attrayantes pour la surveillance permanente et l'acquisition de températures, de pressions et d'autres données.
Les fibres optiques excellent dans la création de systèmes de détection distribués.Dans ce cas, la fibre elle-même est le capteur.Les changements de pression ou de température modifieront le profil de rétrodiffusion, permettant des mesures très précises en surveillant la lumière rétrodiffusée.Parce que la vitesse de la lumière dans une fibre est bien comprise, la lumière rétrodiffusée révèle des informations à la fois sur l'amplitude de la mesure et sur son emplacement le long de la fibre.
La détection distribuée à base de fibre est maintenant couramment utilisée dans l'industrie pétrolière et gazière offshore pour plusieurs applications :
• Pour surveiller les réservoirs et récupérer les données du puits pour une meilleure compréhension de ce qui se passe dans le puits
• Pour détecter les fuites de tuyaux
• Pour mesurer la température et empêcher la formation d'hydrates dans les canalisations chauffées électriquement
• Pour surveiller les contraintes structurelles mécaniques et les températures dans les conduites montantes/d'écoulement flexibles
Le système de détection sous-marin devient entièrement passif, éliminant ainsi le besoin d'alimenter les capteurs électriques.Les fibres peuvent également être utilisées comme capteurs acoustiques dans l'exploration sismique.
La fibre optique n'est pas nécessairement la réponse universelle.Dans les applications de surveillance des réservoirs, par exemple, les systèmes à fibre ne remplacent pas les systèmes de communication électrique standard, sauf pour les besoins en températures extrêmes de 150 °C ou plus, où les capteurs à base de cuivre ne peuvent pas survivre.Même ainsi, les systèmes à fibre offrent des capacités de détection supplémentaires et complémentaires.
Malgré les avantages de la technologie de la fibre optique en termes de capacité de transport d'informations et de détection, l'adoption n'a pas été aussi rapide dans la production pétrolière sous-marine que dans d'autres industries.Les fibres optiques sont considérées comme fragiles, mais en réalité elles sont très robustes.Lorsque les pratiques d'installation recommandées sont appliquées, le système de fibre optique peut se conformer à l'exigence courante de l'industrie d'une durée de vie minimale de 30 ans sans nécessiter de maintenance.La fiabilité est donc essentielle, même si l'équipement doit résister aux conditions environnementales sous-marines profondes et en fond de puits.Aux niveaux des eaux profondes, les températures sont généralement comprises entre 0 et 3 °C, tandis que les températures de fond peuvent atteindre 200 °C.
Les objectifs de conception pour les systèmes en eau profonde déployés jusqu'à 15 000 pieds peuvent résister à des pressions hydrostatiques d'eau de mer de 6 600 psi et à des pressions de tête de puits de 20 000 psi. Systèmes sous-marins et de fond de trou à fibre optique
Avoir une solution de fibre de bout en bout du fond du trou à la surface est une solution viable.La figure 1 montre un système typique.Le système au-dessus d'un puits est connu sous le nom d'"arbre de Noël" en raison de la ressemblance de bon nombre de ces systèmes avec un arbre de Noël.Les arbres de Noël peuvent être configurés verticalement (côté gauche de la figure) ou horizontalement (côté droit de la figure).Quelle que soit la configuration, les besoins en connectivité restent les mêmes : ce qui est indiqué sur le côté droit est le même pour le côté gauche.
En raison des contraintes de taille et de poids, le déploiement offshore des systèmes sous-marins s'effectue en plusieurs étapes.C'est pourquoi les systèmes intelligents sous-marins utilisent des capteurs à fibre optique, des câbles et des solutions de connectivité (boîtes de jonction, connecteurs dry-mate et wet-mate).La fonction principale de cette combinaison de systèmes est d'assurer une continuité optique entre les capteurs à fibre optique installés soit dans le puits, soit sur le fond marin et les systèmes d'acquisition de données en surface.Une fonction secondaire mais plus critique est le confinement de la pression pour garantir l'intégrité du système contre les environnements externes difficiles. Pour faciliter l'installation, des connecteurs de fibre optique sont nécessaires pour fournir des liaisons optiques entre les modules sous-marins.Les systèmes sont souvent déployés sous forme de modules séparés intégrés au fond de la mer.Les connecteurs raccordables à sec sont utilisés soit dans un module, soit entre des modules qui ont été assemblés sur le dessus.Ils ne sont pas conçus pour l'accouplement immergé, bien qu'ils résistent à l'eau et aux pressions sous-marines lorsqu'ils sont accouplés.Comme le montre la figure 2, les connecteurs dry-mate seront familiers aux utilisateurs de connecteurs circulaires militaires/aérospatiaux pour leur utilisation de viroles en céramique de précision.
Les connecteurs à raccord humide peuvent être accouplés sur le dessus, mais leur objectif principal est d'être connectés sous la mer après déploiement par un véhicule télécommandé (ROV), un plongeur ou des systèmes d'actionnement.Ils permettent d'interconnecter les modules in situ.Les connecteurs wet-mate sont de conception plus complexe que les connecteurs dry-mate.Une interface étanche doit être maintenue pour les connecteurs accouplés et non accouplés, ce qui est difficile compte tenu des pressions en eau profonde.
Afin de maintenir l'isolation tout au long des opérations et pendant toute la durée de vie, le connecteur est rempli d'huile et équilibré en pression.Un mécanisme à vessie ou à piston égalise la pression interne du connecteur à la pression extérieure de l'eau.Cela ne permet aucune pression différentielle à travers les joints et les racleurs.
Les pénétrateurs à fibre optique sont liés aux connecteurs optiques, qui ont été développés pour assurer l'intégrité de l'étanchéité à partir d'un environnement externe ou pour séparer différentes chambres tout en offrant des capacités de traversée optique.Les pénétrateurs sont conçus pour résister à des pressions différentielles (5 000 psi, 10 000 psi et 15 000 psi) lorsqu'ils sont liés à la pression du réservoir.
Lorsque cela est possible, les modules sous-marins sont à pression équilibrée, c'est-à-dire remplis de fluide, le fluide étant ajusté à la même pression de la mer qu'à l'extérieur du module.Cela permet des parois plus minces, un poids réduit et une plus grande fiabilité car les joints ne sont pas tenus de résister aux pressions différentielles.Certains modules, tels que ceux contenant des composants électroniques ou autres, ne peuvent pas résister à une pression supérieure à la pression atmosphérique.
Par conséquent, un pénétrateur à fibre optique est utilisé pour empêcher les modules d'être inondés d'eau.Sur d'autres appareils, tels que les pompes sous-marines et les têtes de puits, qui sont potentiellement exposés aux pressions de fermeture du réservoir, les pressions nominales peuvent grimper jusqu'à 15 000 psi lorsqu'elles sont combinées à des températures élevées.
Le pénétrateur remplit une fonction importante pour l'environnement.Une défaillance optique signifierait une perte de capacité de détection, mais une défaillance mécanique libérerait des fluides du puits dans l'environnement.
Des câbles solides protègent les fibres
Alors que les fibres ont une résistance à la traction élevée pour résister à la traction longitudinale, elles peuvent être facilement cassées ou endommagées si elles ne sont pas correctement protégées.En conséquence, les câbles à fibres optiques ont généralement leur propre blindage.Alors que le fil d'aramide est généralement utilisé, les conceptions plus robustes nécessitent une armure métallique.Les pressions d'application hydrostatiques élevées peuvent augmenter l'atténuation dans une fibre.Les trois approches suivantes peuvent être utilisées :
Fibre dans un tube en acier (FIST) - Cela place la fibre dans un tube en acier inoxydable solide pour la protéger contre les pressions hydrostatiques, les températures élevées et les environnements corrosifs.L'emballage FIST est une conception à tube libre, qui peut contenir plusieurs fibres maintenues de manière lâche dans le tube et encapsulées dans du gel.Parce que les fibres "flottent" dans le tube, la longueur de la fibre est légèrement plus longue que le tube pour assurer une faible contrainte.La technologie FIST est l'approche la plus simple et la moins coûteuse et maintient une faible contrainte sur la fibre en découplant la contrainte sur le tube.Si le câble s'étire pendant l'installation ou l'utilisation, l'excès de fibre peut s'adapter à l'étirement sans forcer.Les conceptions de tubes lâches tolèrent également très bien les variations de température extrêmes, mais sont moins adaptées aux applications les plus robustes telles que les profondeurs et les longueurs de câble extrêmes.FIST propose également un emballage haute densité de plusieurs fibres dans le tube et, des trois options, est la plus facile à terminer.
Armature STEEL-LIGHT - Cette option utilise des brins d'acier de charrue de taille précise disposés de manière concentrique autour du tampon de fibre pour protéger la fibre contre la rupture.
Blindage ELECTRO-LIGHT - Ceci est similaire au blindage STEEL-LIGHT mais utilise du cuivre à la place de l'acier.Le cuivre peut également être utilisé pour l'alimentation afin de permettre la conception de câbles composites avec un diamètre extérieur plus petit.
Les éléments en fibre STEEL-LIGHT et ELECTRO-LIGHT sont deux approches d'emballage à tampon serré.La mise en mémoire tampon serrée, tout en nécessitant une fabrication plus soignée, offre de meilleures performances dans les applications hautement dynamiques et constitue le choix le plus robuste.Le blindage STEEL-LIGHT est le plus robuste, conçu pour résister à des pressions hydrostatiques de 10 000 psi.
Un brillant avenir pour la fibre
Les incertitudes récentes sur le marché pétrolier mettent en évidence la nécessité d'accroître l'efficacité de la production.L'évolution des technologies améliore non seulement la production de pétrole et de gaz, mais donne également accès à de nouvelles ressources pour gérer et prolonger la durée de vie d'un champ pétrolier offshore.Les informations fournies par les capteurs donnent aux opérateurs un aperçu sans précédent des conditions et permettent un ajustement en temps réel des opérations et une modélisation prédictive à long terme.
Des systèmes pilotes de fibre optique réussis ont été déployés au cours de la dernière décennie, fournissent des données précieuses et offrent des performances optiques stables à des pressions et des températures élevées.Une adoption généralisée est impérative, car la fibre optique est un excellent outil pour relever les défis actuels et futurs en matière d'exploration et de récupération.
Heure de publication : 24 septembre 2019