Plates-formes de forage offshore | IPIECA

Dernière révision du sujet: 10 avril 2013
Secteurs: Amont

L’énergie nécessaire sur les plates-formes de forage offshore est généralement fournie par des moteurs diesel. En règle générale, ces moteurs utilisent 20 à 30 m3 de carburant diesel par jour, selon les opérations effectuées. Plusieurs mesures peuvent être utilisées pour réduire la consommation d’énergie, la quantité de diesel brûlée et les émissions dans l’air. Les mesures visant à réduire la consommation d’énergie peuvent être divisées en deux catégories:

Réduction de la quantité d’énergie nécessaire sur la plate-forme
Amélioration du système de gestion de l’énergie

Pour réduire la demande d’énergie sur la plate-forme, il est important de bien planifier les opérations de forage. Un processus de forage efficace permet de réduire la consommation de carburant par pied foré, et donc moins d’émissions. Les systèmes automatiques de mélange de boue, comme ceux mis en œuvre au complexe de Valhall en mer du Nord, réduisent les erreurs de mélange coûteuses, l’exposition à des matières dangereuses et les émissions excessives (Référence 4). Une planification minutieuse par les ingénieurs de forage et le personnel logistique peut réduire les temps d’arrêt et permettre un processus de forage plus efficace. L’intégration d’une tête de ciment rotative et de levage télécommandée avec des opérations de fonctionnement du carter à entraînement supérieur réduit le temps de montage de l’équipement, ce qui réduit le temps de transition entre les opérations de fonctionnement du carter et de cimentation (référence 5). Enfin, un programme de maintenance centrée sur la fiabilité (RCM) peut également réduire les temps d’arrêt de la plate-forme, améliorer la sécurité et offrir un meilleur retour sur investissement. Par exemple, le MCR de l’Ensco a permis un retour sur investissement de 63 % (Référence 2).

La conception de la plate-forme de forage est également importante. Des zones de travail et des locaux d’habitation bien conçus réduisent le besoin de chauffage et de refroidissement et sont particulièrement importants dans les environnements froids et difficiles, où le besoin de chauffage est généralement important. La forme de la coque et la conception du dessus de la plate-forme de forage créent une traînée de vent. Si cette traînée de vent peut être réduite, la consommation d’énergie peut être réduite.

Un facteur important influençant la consommation d’énergie sur une plate-forme de forage offshore est le moyen par lequel la plate-forme de forage est positionnée. Les navires amarrés consomment beaucoup moins d’énergie que les navires à positionnement dynamique (DP), car les moteurs des navires à positionnement dynamique utilisent de l’énergie pour positionner le gréement. ABB, un fabricant britannique de technologies de puissance et d’automatisation, a développé le système de propulsion Azipod® — un système de propulseur azimutal à nacelle composé d’un moteur électrique à vitesse variable entraînant une hélice à pas fixe dans une nacelle immergée à l’extérieur de la coque du navire; aucun engrenage ou entraînement d’arbre n’est situé entre le moteur et le propulseur. L’Azipod® peut réduire les besoins en énergie de propulsion de 10 à 20% par rapport aux solutions de propulseurs azimutaux mécaniques traditionnelles (Référence 3).

Le choix du système de compensation du soulèvement a également un impact sur la consommation d’énergie. L’utilisation de la drawworks active heave (AHD), une solution entièrement électrique, a des besoins énergétiques différents par rapport à la solution de plate-forme à vérins ou au compensateur à couronne traditionnel (CMC), car ces systèmes de compensation reposent sur différentes combinaisons d’équipements hydrauliques et électriques. Les principaux avantages des équipements hydrauliques sont le rapport puissance / taille des actionneurs et leur capacité de stockage d’énergie; les équipements hydrauliques sont plus petits et plus légers que leur équivalent électrique, tandis que les accumulateurs de gaz utilisés dans les systèmes hydrauliques stockent les fluctuations d’énergie temporaires de manière rentable et continueront à fonctionner en cas de panne de courant. Les inconvénients de l’équipement hydraulique sont la nécessité d’une unité de puissance hydraulique (HPU) importante et lourde pour alimenter l’équipement et la dépendance en température du système. Le placement du HPU sur le gréement peut être problématique, en particulier pour les flotteurs. Les propriétés du fluide hydraulique varient avec la température et peuvent avoir un impact sur les performances globales du système. En revanche, le rendement global des systèmes électriques est de 85 à 90% contre environ 70% pour un système hydraulique (Référence 1). Cette efficacité accrue fait de l’énergie électrique l’option privilégiée pour les équipements de haute puissance. Les systèmes électriques permettent également un contrôle précis du couple et de la vitesse et éliminent les risques environnementaux liés aux fuites de fluide hydraulique. La principale limitation pour le système électrique est le stockage d’énergie, qui se présente généralement sous la forme de batteries volumineuses et lourdes.

Le système CMC utilise un derrick standard et des drawworks standard avec un système à compensation hydraulique installé sur le derrick. Ce système inflige le moins de charge à la structure du derrick, mais a une capacité de compensation de soulèvement limitée. Sa répartition du poids haut-lourd peut affecter la stabilité du navire et réduire la capacité de charge du pont. Le CMC aura une consommation d’énergie beaucoup plus faible lorsqu’il fonctionnera dans des zones difficiles par rapport à d’autres systèmes de compensation de soulèvement. Un schéma d’un système CMC est illustré ci-dessous.

Figure 1: Le compensateur monté sur la couronne Shaffer (référence 7)

La solution de plate-forme de vérin remplace le derrick par un mât et les drawworks par des vérins hydrauliques. Cette configuration abaisse le centre de gravité du gréement et réduit le poids de la tour. La capacité de compensation de soulèvement est limitée par la conception du cylindre de compensation. Bien que le système nécessite une HPU lourde pour fonctionner, le placement typique de l’HPU sous le plancher de la plate-forme améliore la stabilité de la plate-forme en abaissant le centre de gravité. L’utilisation de plusieurs cylindres et fils assure une redondance en cas de panne. Le remplacement des drawworks par des cylindres élimine une grande partie du bruit sur le plancher de forage.

Le système AHD utilise également un derrick standard mais avec un contrôle entièrement électronique des drawworks pour la compensation du soulèvement. Les moteurs à courant alternatif assurent un contrôle précis des drawworks avec une précision de compensation typique de moins de 2%. La puissance de récupération créée par le freinage peut être réinjectée dans l’appareil pour être consommée par d’autres équipements. Comme la solution de plate-forme de cylindre, la conception AHD a un centre de gravité plus bas que les systèmes CMC, mais a un poids inférieur à celui de la plate-forme de cylindre et des systèmes CMC. La compensation de soulèvement n’est pas limitée comme dans les autres systèmes. Le principal inconvénient des systèmes AHD est l’utilisation de drawworks alimentés en courant alternatif, qui peuvent être bruyants dans un environnement de travail confiné.

Une flexibilité accrue dans la production d’énergie sur l’installation peut être obtenue en utilisant des systèmes de gestion de l’énergie et en appliquant une philosophie de charge de puissance. L’intention ici serait de faire fonctionner les générateurs à la charge correcte plutôt que de faire fonctionner tous les générateurs au ralenti. Pour ce faire, un mélange de différentes puissances de sortie (tailles) de générateurs peut être utilisé; alternativement, le fonctionnement de la plupart des générateurs à charge optimale et d’un ou deux générateurs à charge variable peut être une solution. Des systèmes de distribution d’énergie électrique simples peuvent réduire la fréquence des pannes d’électricité en réduisant le nombre de systèmes d’affectation et de connexions croisées. Lorsque les composants du système sont moins nombreux et plus efficaces, les coûts de production et de maintenance seront réduits et la salle d’équipement aura une empreinte plus faible sur la plate-forme.

Les systèmes de récupération de chaleur utilisés pour récupérer la chaleur des gaz d’échappement peuvent être utilisés à la place de la production de chaleur à partir de chaudières à vapeur, de chaudières à mazout thermique ou de chauffages électriques. Cela permettra également de réduire la consommation d’énergie.

Maturité technologique

Disponible dans le commerce?:	Oui
Viabilité offshore :	Oui
Rénovation de friches industrielles ?:	Oui
Années d’expérience dans l’industrie:	<5

Indicateurs Clés

Domaine d’application:	Toutes les plates-formes de forage doivent être bien planifiées et conçues
Efficacité:	Selon la mesure
Coûts en capital de la ligne directrice :	Selon la mesure. Une bonne conception et une planification initiale d’une nouvelle plate-forme permettront d’économiser des coûts à long terme.
Coûts opérationnels de la ligne directrice:	Consommation de carburant réduite (diesel). Une opération de forage plus efficace permettra d’économiser sur les coûts d’exploitation.
Portée typique de la description de travail:	Lors de la phase de conception d’une nouvelle plate-forme de forage offshore, il est important de planifier soigneusement le puits afin de minimiser la consommation d’énergie. Cela peut être fait grâce à la coopération entre les opérateurs ayant une expérience de forage et le propriétaire de la plate-forme. Des ingénieurs de forage, des ingénieurs de procédés, des ingénieurs en mécanique et des ingénieurs en environnement seront nécessaires. Pour les anciennes plates-formes de forage offshore susceptibles d’économiser de l’énergie, le temps et le coût total de construction des puits doivent être analysés et comparés aux nouvelles plates-formes de forage intégrant une technologie économe en énergie. Des évaluations de faisabilité des coûts de modernisation doivent être effectuées pour l’installation de systèmes de mélange automatique de boue, de systèmes de compensation de soulèvement améliorés et de systèmes de gestion de l’énergie intégrés. Des évaluations d’efficacité énergétique peuvent également être effectuées sur l’efficacité de l’équipement de chauffage, de sorte que les ingénieurs en procédés, en mécanique et en électricité peuvent envisager, par exemple, de remplacer les anciens appareils de chauffage par des unités de récupération de chaleur résiduelle ou d’installer des générateurs à charge variable. De telles modifications peuvent être coûteuses sur certaines plates-formes, par conséquent, le coût en capital des modifications doit être comparé aux économies d’exploitation en termes de réduction de la consommation d’énergie / de carburant et de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES), avant que la décision de remplacer les anciens appareils de chauffage puisse être prise.

Facteurs de décision

Technique:	Conception
Opérationnel :	Des opérations de forage efficaces réduiront la consommation d’énergie; l’automatisation réduit les besoins en personnel
Commercial:	Prix du diesel Réduction des coûts en achetant moins de diesel
Environnement:	Réduire l’empreinte GES Réduire les émissions de COV, de NOX, de SOX et d’autres polluants atmosphériques, y compris les polluants atmosphériques dangereux tels que le formaldéhyde (moins de combustion de carburant diesel)

Problèmes / risques opérationnels

Des analyses de risques doivent toujours être effectuées

Opportunités / analyse de rentabilité

Des opérations de forage efficaces et des programmes de conception de puits contribueront à la livraison des puits dans des délais réduits et avec une consommation d’énergie réduite, réduisant ainsi les coûts d’exploitation globaux.
Une combustion réduite du combustible peut entraîner une réduction des émissions de gaz à effet de serre
Possibilité de réduire le bruit

Études de cas de l’industrie

Simulation d’un système de stockage d’énergie à volant moteur pour le forage en mer (Référence 6)

Une simulation détaillée d’un drawworks compensateur de soulèvement, basée sur un HITEC AHC-1000 réel ® drawworks et un modèle mathématique de la dynamique du volant ont été utilisés pour analyser les performances anticipées d’un système de stockage d’énergie à grande échelle basé sur un volant. La consommation de carburant était basée sur les caractéristiques d’un groupe électrogène diesel Caterpillar. La simulation a été exécutée à l’aide de Simulink en conjonction avec Matlab (un outil de langage de programmation graphique de flux de données). La simulation a montré une réduction allant jusqu’à 75% de la demande moyenne d’énergie électrique et jusqu’à 90% de la consommation de puissance de pointe. La topologie de routage de puissance et les profils de charge simulés sont présentés ci-dessous.

Figure 2: Topologie de routage de puissance

Figure 3: Profils de charge simulés

Tapjan, R. et Kverneland, Hege. (2010). Conceptions de plates-formes hydrauliques et électriques: avantages et inconvénients des systèmes de compensation du soulèvement des flotteurs « . Entrepreneur en forage (site Web): The Efficient Rig, 8 septembre 2010.
Liou, J. (2012). « Un programme de maintenance axé sur la fiabilité réduit les temps d’arrêt et permet un retour sur investissement de 63 % « . Entrepreneur en forage (site Web): The Efficient Rig, 7 mai 2012.
Langley, D. (2011). « Faire la lumière sur la simplicité électrique ». Entrepreneur de forage (site Web): The Efficient Rig, 21 septembre 2011.
Gunnerod, J., Serra, S., Palacios-Ticas, M. et Kvarne, O. (2009). « Le système de fluides de forage hautement automatisé améliore la HSE et l’efficacité, réduit les besoins en personnel ». Entrepreneur en forage (site Web): Forer en toute sécurité, 17 janvier 2009.
Cummins, T. (2011). « La tête de ciment modifiée réduit le temps de montage, les risques « . Entrepreneur de forage (site Web): The Efficient Rig, 21 septembre 2011.
Williams, K.R. et de Jone, H.J. « Hybrid heave drilling technology reduces emissions, operating costs for offshore drilling ». Entrepreneur en forage, septembre/octobre 2009, p. 52 à 60.
Puits de pétrole national Varco (site web)
Transocean (site web): Sedco Express