Alors que l’exploration et la production pétrolières offshore nécessitent de nouvelles façons d’améliorer l’efficacité opérationnelle et la récupération des réservoirs pétroliers, 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 offshore continue de migrer vers des eaux et des puits plus profonds, les opérateurs recherchent des informations et des analyses en temps réel à la fois sur chaque puits individuel et sur l'ensemble de la chaîne de production, du puits à la livraison jusqu'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 il est possible de collecter d’informations dans l’ensemble du système, 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.
Au-delà 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 découvrent qu’une efficacité opérationnelle accrue, une récupération accrue et meilleure du pétrole et du gaz et une gestion supérieure des champs pétrolifères entraînent 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. Les retours économiques des opérateurs sont des informations bienvenues, mais ils sont rarement donnés pour protéger la confidentialité des opérations.
Détection passive basée sur la fibre
Les fibres optiques deviennent également de plus en plus attractives pour la surveillance permanente et l'acquisition de températures, pressions et autres données.
Les fibres optiques excellent dans la création de systèmes de détection distribués. Dans ce cas, la fibre elle-même constitue le capteur. Les changements de pression ou de température modifieront le profil de rétrodiffusion, permettant des mesures très précises en surveillant la lumière rétrodiffusée. Étant donné que la vitesse de la lumière dans une fibre est bien comprise, la lumière rétrodiffusée révèle des informations à la fois sur l'ampleur de la mesure et sur son emplacement le long de la fibre.
La détection distribuée basée sur la fibre est désormais 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 canalisations
• Pour mesurer la température et prévenir la formation d'hydrates dans les pipelines chauffés électriquement
• Pour surveiller les contraintes structurelles mécaniques et les températures dans les colonnes montantes/flowlines 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 optique ne remplacent pas les systèmes de communication électriques standards, sauf pour les besoins de températures extrêmes de 150°C ou plus, où les capteurs à base de cuivre ne peuvent pas survivre. Néanmoins, les systèmes à fibres offrent des capacités de détection supplémentaires et complémentaires.
Malgré les avantages de la technologie des fibres optiques en termes de capacité de transport d’informations et de détection, son 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 primordiale, même si l’équipement doit résister aux conditions environnementales sous-marines en eaux profondes et au fond des puits. Aux niveaux des eaux profondes, les températures se situent généralement entre 0 et 3°C, tandis que les températures au fond des puits 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
Disposer d’une solution de fibre de bout en bout, du fond du trou jusqu’à la surface, est une solution viable. La figure 1 montre un système typique. Le système situé au sommet 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 de connectivité restent les mêmes : ce qui est annoncé du 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, des câbles et des solutions de connectivité à fibre optique (boîtes de jonction, connecteurs secs et humides).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 de 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 à 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 marin. Les connecteurs assemblables à sec sont utilisés soit à l'intérieur d'un module, soit entre des modules assemblés sur le dessus. Ils ne sont pas conçus pour un accouplement immergé, bien qu'ils résistent à l'eau et aux pressions sous-marines pendant l'accouplement. Comme le montre la figure 2, les connecteurs secs seront familiers aux utilisateurs de connecteurs circulaires militaires/aérospatiaux pour leur utilisation de ferrules en céramique de précision.
Les connecteurs humides peuvent être accouplés sur le dessus, mais leur objectif principal est d'être connectés sous-marins après déploiement par un véhicule télécommandé (ROV), un plongeur ou des systèmes d'actionnement. Ils permettent d'interconnecter les modules in situ. Les connecteurs humides sont de conception plus complexe que les connecteurs secs. Une interface étanche doit être maintenue pour les connecteurs accouplés et non accouplés, ce qui constitue un défi compte tenu des pressions en eau profonde.
Afin de maintenir l'isolation tout au long des opérations et pendant toute la durée de vie nominale, le connecteur est rempli d'huile et à pression équilibrée. 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 entre les joints et les racleurs.
Les pénétrateurs à fibre optique sont associés aux connecteurs optiques, qui ont été développés pour assurer l'intégrité de l'étanchéité 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 mer qu'à l'extérieur du module. Cela permet d'obtenir des parois plus fines, un poids réduit et une plus grande fiabilité, car les joints ne sont pas nécessaires pour 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 entraînerait une perte de capacité de détection, mais une défaillance mécanique entraînerait le rejet de fluides du puits dans l'environnement.
Des câbles solides protègent les fibres
Bien que les fibres aient une résistance élevée à la traction 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 possèdent généralement leur propre blindage. Bien que le fil aramide soit généralement utilisé, les conceptions plus robustes nécessitent un blindage 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) – Ceci place la fibre dans un tube solide en acier inoxydable pour la protéger contre les pressions hydrostatiques, les températures élevées et les environnements corrosifs. L'emballage FIST est une conception en tube lâche, qui peut accueillir plusieurs fibres maintenues de manière lâche dans le tube et encapsulées dans du gel. Étant donné que les fibres « flottent » à l’intérieur du tube, la longueur de la fibre est légèrement plus longue que le tube pour garantir 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 effort. Les conceptions à tubes libres tolèrent également très bien les excursions extrêmes de température, mais sont moins adaptées aux applications les plus robustes telles que les profondeurs et longueurs de câbles extrêmes. FIST propose également un conditionnement haute densité de plusieurs fibres dans le tube et, parmi les trois options, est la plus simple à terminer.
Blindage ACIER LÉGER – 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 de la casse.
Blindage ELECTRO-LIGHT – Il 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 tous deux des approches d'emballage étroitement tamponnées. La mise en mémoire tampon étroite, tout en exigeant 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 avenir radieux pour la fibre
Les récentes incertitudes sur le marché pétrolier mettent en évidence la nécessité d’accroître l’efficacité de la production. Les technologies en évolution améliorent non seulement la production pétrolière et gazière, mais donnent 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 à fibre optique réussis ont été déployés au cours de la dernière décennie, fournissent des données précieuses et offrent des performances optiques constantes à des pressions et des températures élevées. Une adoption généralisée est impérative, car la fibre optique constitue un excellent outil pour relever les défis actuels et futurs en matière d’exploration et de récupération.
Heure de publication : 24 septembre 2019