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Les plates-formes métalliques fixes (ou « jackets »)

De poids et de dimensions très variables, les plates-formes métalliques fixes (ou « jackets ») sont les plus répandues. Il en existe plus de 7 000 dans le monde. Près de la moitié d'entre elles se trouvent dans le golfe du Mexique, par des profondeurs variant de quelques mètres à plus de 400 mètres (cf figure). D'autres sont situées dans le golfe Persique, en mer du Nord, en Indonésie, le long des côtes d'Afrique et dans d'autres mers plus ou moins profondes, calmes ou agitées. Bien adaptées à la plupart des configurations d'exploitation, leur robuste constitution les prédispose à résister aux plus fortes houles. La plate-forme de Magnus en mer du Nord, par 186 mètres d'eau et dans des conditions de mer très dures (vagues de tempête de 30 m de hauteur), et celle de Bullwinkle (55 000 t d'acier) dans le golfe du Mexique, par 412 mètres de profondeur dans une mer plus clémente, restent des records en la matière. Mais les « jackets » sont presque toujours implantés par moins de 300 mètres de profondeur d'eau.

Les plates-formes de ce type comprennent trois parties :

– le pont, qui supporte et maintient hors de l'eau les têtes de puits et les équipements de production ;

– la charpente métallique, qui constitue le « jacket » proprement dit ;

– les piles, qui assurent la fondation dans le sol.

Le jacket est une structure à membrures tubulaires, jambes et entretoises, en acier soudé. Construit à terre en position couchée sur une aire qui s'apparente à un chantier naval, il est ensuite transporté sur une barge spéciale, puis redressé et installé à son emplacement définitif. Des trajets de plus de 15 000 kilomètres ont déjà été réalisés par de tels convois. À l'arrivée sur le site d'installation, on procède alors à la mise à l'eau du jacket, qui est déposé sur le fond, positionné avec précision et solidement fixé au sol de manière à résister aux effets des tempêtes.

La dernière opération consiste à mettre en place les piles de fondation, qui sont introduites, selon la taille de la plate-forme, soit à l'intérieur des membrures verticales sur toute leur hauteur, soit dans des fourreaux disposés en barillet autour des jambes principales, pour être battues (ou, plus rarement, forées et cimentées) dans le sol jusqu'à la profondeur requise. La liaison pile-jambe est assurée par injection d'un coulis de ciment à hautes performances, de manière à ce que le poids de la structure et de ses surcharges soit bien transmis à la fondation. Le nombre de piles et la profondeur de battage dépendent, bien entendu, de la taille de l'ouvrage et des propriétés géotechniques du sol ; la profondeur de battage atteint couramment 50 mètres et peut dépasser 150 mètres sous le niveau du sol pour les structures géantes ; le diamètre des piles est, dans certains cas, supérieur à 2 mètres.

La plate-forme est alors prête à recevoir le pont et ses équipements, qui sont installés à l'aide de puissants moyens de manutention montés sur barge. Ces différentes charges ont été préalablement réparties dans des « modules » dont la taille et le poids sont très variables – de 300 à 5 000 tonnes – et compatibles avec les moyens de levage dont on dispose.

Pendant toute la durée de la phase d'exploitation du gisement, ces structures sont sollicitées par les charges répétées de la houle et risquent de subir des endommagements par « fatigue », principalement aux soudures des nœuds d'assemblage tubulaires, qui sont le siège de concentrations de contraintes inhérentes à leur géométrie. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont été menées pour améliorer les méthodes de calcul de résistance en fatigue, et différentes dispositions constructives peuvent être prises en conséquence, telles que l'amélioration du soudage, le renforcement des joints par raidisseurs en acier ou par injection de ciment, ou même l'utilisation de pièces moulées.

Les structures gravitaires en béton

Les premières d'entre elles ont été conçues par des sociétés françaises à partir de 1970-1971, parallèlement au développement des structures en acier, pour répondre aux besoins de l'époque sur différents sites de la mer du Nord, par des profondeurs d'eau comprises entre 70 et 150 mètres. Il s'agit de structures « gravitaires » : posées sur le fond de la mer, leur stabilité vis-à-vis des efforts générés par la houle est assurée exclusivement par leur poids propre. À quelques variantes près, elles sont bâties sensiblement sur le même modèle, en trois parties :

– le pont, en acier ou en béton, hors de l'eau et chargé de tous ses équipements (de 10 000 à 30 000 t) ;

– un fût massif, ou plusieurs colonnes en béton (jusqu'à quatre), édifices qui traversent toute la tranche d'eau et supportent le pont ;

– un caisson en béton, immergé et reposant sur le fond par l'intermédiaire d'un radier, et partagé en cellules dont le rôle est de soutenir les colonnes ou de servir de réservoir tampon pour le pétrole brut. Ce caisson est maintenu constamment rempli soit d'eau, soit de pétrole, ce qui augmente le poids de la structure et assure sa stabilité ; la face inférieure du radier, qui peut atteindre 100 mètres de diamètre, est munie de bêches pour reprendre les efforts de cisaillement (ou glissement) sur le sol et protéger contre les affouillements (érosion due aux mouvements de l'eau).

Le radier et la partie inférieure du caisson sont d'abord construits en cale sèche, dans une enceinte protégée par des batardeaux ; cet ensemble est ensuite mis en flottaison dans un site abrité et permettant un tirant d'eau important (les fjords norvégiens et écossais offrent ces facilités). C'est dans ces conditions que se poursuit le chantier de construction du fût ou des colonnes. Le pont, construit et complètement équipé dans un autre chantier, est amené sur engin flottant et posé sur les colonnes en jouant sur le ballastage de la plate-forme ; tout l'édifice ainsi terminé est remorqué en haute mer jusqu'à son site définitif ; en phase finale, l'ouvrage est positionné avec précision à l'emplacement choisi et posé au fond par ballastage du caisson.

Bien entendu, la fabrication des différentes parties de ces très grandes structures (radier, caisson, fût ou colonnes) fait appel aux techniques de précontrainte les plus évoluées et à l'utilisation de coffrages glissants très performants. La composition et la confection du béton font l'objet de soins très attentifs et demandent des études poussées, de manière à atteindre de hautes performances mécaniques ou trouver un compromis entre résistance et densité.

Le principal avantage de ces structures en béton est leur aptitude à être installées avec leur pont intégré complètement équipé par avance, ce qui diminue les travaux d'assemblage à exécuter en haute mer. Elles sont capables de recevoir de fortes charges et d'assurer la fonction de réservoir de stockage. Mais cette technique suppose la proximité de sites favorables à leur fabrication.

Ce sont les constructions les plus lourdes jamais déplacées par les hommes puisque le poids de plusieurs d'entre elles dépasse 800 000 tonnes. Leur transport en mer depuis le site de construction ne peut être opéré que grâce à une flottille de puissants remorqueurs. À l'aide des systèmes modernes de positionnement acoustique, elles sont finalement posées à leur emplacement définitif avec une précision de quelques dizaines de centimètres.

Une première génération de quatorze grandes plates-formes en béton a ainsi été installée en mer du Nord de 1973 à 1981. Depuis lors, quelques autres ouvrages du même type ont encore été construits, telle la plate-forme de 2 millions de tonnes implantée au large de la Norvège sur le champ de Troll, par 350 mètres d'eau.

Un cas particulier est celui du champ d'Hibernia, mis en production en 1997 dans la région de Terre-Neuve, zone comportant un risque important de passage d'icebergs à la dérive. La plate-forme mesure 105 mètres de diamètre pour une hauteur totale de 150 mètres. (pour comparaison, la plus grande pyramide d'Égypte mesure 140 mètres de hauteur). Reposant par 119 mètres d'eau, elle est entourée d'un mur en béton capable de résister au choc d'un iceberg de 4 millions de tonnes dérivant à 1,35 mètre par seconde.

Les structures souples et les plates-formes à lignes tendues

Au-delà de 300 mètres de profondeur, la technique des structures métalliques classiques commence à atteindre ses limites car le poids des plates-formes et leur coût de construction deviennent prohibitifs. À partir des années 1980, au lieu de continuer à construire de lourdes structures capables de résister à la houle grâce à leur rigidité, on s'est intéressé, d'une part à plusieurs solutions de structures dites souples (compliant structures), et, d'autre part, à un concept de « plates-formes à lignes tendues », ces deux types de structures étant conçus pour que le poids d'acier et le prix de construction augmentent de manière plus raisonnable en fonction de la profondeur.

Les structures souples

Trois sortes de structures métalliques souples ont été imaginées, mais quelques unités seulement ont été construites :

– Les tours articulées, comme leur nom l'indique, sont fixées au fond de la mer par une articulation mécanique ou une fondation par pieux suffisamment flexible pour faire office de rotule ; elles sont maintenues en position verticale par un énorme flotteur de rappel, en acier ou en béton, situé près de la surface. Ce concept a pris naissance en France en donnant lieu, dès 1968, à une plate-forme expérimentale dans 100 mètres d'eau, installée dans le golfe de Gascogne.

– Les tours haubanées (guyed towers) en sont une variante, les forces de rappel étant exercées par un ensemble de lignes d'ancrage, fixées sur le fond et disposées tout autour de la plate-forme ; il en existe une sur le champ de Lena, dans le golfe du Mexique, installée en 1983 par 305 mètres d'eau. Ces structures relativement légères peuvent supporter des têtes de puits, maintenues hors de l'eau, même dans des mers profondes.

– Les tours flexibles procèdent de la même idée mais sont de conception un peu différente : elles sont encastrées dans le sol, et ce sont les mouvements dus à la déformation élastique de la charpente qui engendrent des forces d'inertie opposées à celles de la houle. Différents concepts reposant sur ce principe – les tours Gamma et Delta ou encore la plate-forme Roseau, dont le nom est suffisamment évocateur – ont été proposés par des sociétés françaises d'ingénierie pour des applications dans le golfe du Mexique, mais c'est la solution de la plate-forme à lignes tendues qui a été préférée jusqu'à présent.

Les supports flottants de production

Le plus souvent, ces supports flottants sont associés à des têtes de puits sous-marines. Qu'ils soient de type barge, bateau ou semi-submersible, ils ont en effet des mouvements importants dans la houle et ne peuvent être reliés aux puits que par des liaisons flexibles.

Les systèmes de production avec supports flottants sont adaptés à une grande variété de situations. Il s'agit parfois de champs marginaux de faible capacité de production ou de courte durée de vie. Rapides à mettre en œuvre, ils peuvent aussi être employés pour commencer à produire le plus tôt possible, lorsque l'opérateur cherche à rentabiliser rapidement ses investissements d'exploration. C'est ce que l'on appelle un système de production anticipée (early production system). De plus en plus, c'est la solution classique pour l'exploitation des mers très profondes. Le support a alors plusieurs fonctions : traitement du pétrole brut, quartiers d'habitation, poste de contrôle et commande des puits, stockage et équipements de déchargement. On le désigne couramment par le terme FPU (Floating Production Unit) ou FPSO (Floating Production, Storage and Off Loading).

Un exemple typique de FPSO est la barge du champ de N'kossa dans le golfe de Guinée au large du Congo : la plate-forme, qui a été construite à Marseille, mesure plus de 400 mètres de longueur. Elle supporte des modules de forage-production qui ont été conçus sur un autre chantier. Après construction et assemblage, l'ensemble a été acheminé par flottaison sur un trajet long et difficile à l'aide de trois puissants remorqueurs. Plusieurs champs importants, en cours de développement au large du Congo, de l'Angola et du Nigeria, utilisent des techniques similaires, jusqu'à 1 500 mètres de profondeur.

Le maintien en position des supports flottants est de plusieurs types :

– Dans le cas de barges flottantes de type FPU ou FPSO, de semi-submersibles (Buchan ou Argyll, en mer du Nord) ou de bateaux tankers transformés, le support de production est ancré par un système de câbles (ou éventuellement de chaînes) associés à des ancres de forte capacité ou à des pieux enfoncés dans le sol.

– Pour les petites structures, l'ancrage peut se faire sur un point d'amarrage unique autour duquel le navire s'oriente alors dans la direction du courant ou de la houle. Dans ce cas, le système comporte un joint tournant permettant le passage des fluides entre fond et support. Ces joints sont parfois fort complexes car ils doivent être étanches aux pressions de l'huile et du gaz qui sortent des têtes de puits, ainsi qu'à l'eau réinjectée dans le gisement lorsqu'un dispositif de récupération secondaire est nécessaire pour maintenir la pression à l'intérieur de celui ci.

– Enfin, dans certains cas, il est possible d'utiliser des systèmes de positionnement dynamique complets. Le bateau peut alors se déconnecter d'un puits pour raison de mauvais temps ou simplement pour aller décharger sa cargaison dans un port.

La production est évacuée soit par bateau-navette venant s'ancrer ou s'amarrer au support flottant, soit par canalisation sous-marine reliée au support par des conduites flexibles.