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1

Le forage et lexploitation

dans loffshore profond.

Lexprience innovante deGirassol

Mmoire de Diplme dEtude Suprieure

GGuuiillllaauummeeDDAALLMMAARRDD

Janvier 2005

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GRAPHE

Si, pour dfinir notre espce, nous nous en tenions strictement ce que

lhistoire et la prhistoire nous prsentent comme la caractristique

constante de lhomme et de lintelligence, nous ne dirions peut-tre pas

Homo sapiens, maisHomo-faber.

Bergson, lEvolution cratrice, 1907.

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3

REMERCIEMENTS

MMeesspplluussvviiffssrreemmeerrcciieemmeennttss,,ppoouurrlleeuurraaiimmaabbllee

ccoooopprraattiioonn,,::

--OOlliivviieerrDDEEBBOONNNNAAFFOOSSDpartement Offshore de la socit Forasol-Foramer (groupe Pride International)

--BBeerrnnaarrddVVAASSSSEEUURRancien Chef de mission de la socit Forasol-Foramer

--DDaanniieellGGAAUUCCHHEERR ancien Chef de mission de la socit Forasol-Foramer

--YYvvoonnCCAAVVEELLAANN Commandant la retraite et ancien chef de site de la socit

Forasol-Foramer

--JJeeaannLLAANNNNUURRIIEENNBlue Oil and Gas Conseil

--JJeeaann--mmaarrccLLEEPPOOUUTTRREE socit Total

--MMaaxxiimmeeeettAAddrriieennDDAALLMMAARRDDEcole dIngnieurs (groupe ISEN)

--FFrraannooiissBBAATTTTIISSTTOONNIIsocit CETIAT

--CChhaarrlleessHHUUCCHHEETTDDUUGGUUEERRMMEEUURR Groupe Chambon SURF

--JJuulliieennDDAALLMMAARRDDLouis Dreyfus Armateurs

--DDeellpphhiinneeAAUUVVRRAAIIJuriste

AAiinnssiiqquu::

-Lensemble du personnel TTeecchhnniippPPAARRIISSLLaaddffeennssee

-Les chargs de relations --llIIFFPP::IInnssttiittuuttFFrraannaaiissdduuppttrroollee

--KKrroonnssbbeerrggFFrraannccee

--VVoolliiaaWWaatteerrss

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SOMMAIRE

EPIGRAPHE ________________________________________________________________ 2

REMERCIEMENTS____________________________________________________________ 3

SOMMAIRE _________________________________________________________________4

AVANT PROPOS______________________________________________________________ 6

INTRODUCTION _____________________________________________________________ 7

I-ARCHITECTURE DUN PUIT GIRASSOL___________________________________________9

A/Gomtries des puits__________________________________________________________ 9

B/Lacquisition et le traitement de linformation, cl du forage________________________ 11

1Acquisition des donnes ____________________________________________________________ 11

2Navigation dans le sous sol __________________________________________________________ 12

C/Productivit des puits ________________________________________________________ 13

II-LUN DES PLUS GRANDS RESEAUX SOUS-MARINS A CE JOUR.________________________ 16

A/Les systmes de production sous-marins ________________________________________ 17

1Description du systme de production__________________________________________________ 17

2Qualits et suivi des quipements _____________________________________________________ 18

B/Le systme de conduites sous-marines___________________________________________ 18

1Description des conduites sous marines_________________________________________________ 18

2Les problmes lis la Thermique_____________________________________________________ 19

3Prvention face lobstruction des conduites ____________________________________________ 20

C/Les tours risers _____________________________________________________________ 21

1Des tours risers quatre fois plus hautes que la tour Eiffel ___________________________________ 22

2Un concept innovant devenu majeur ___________________________________________________ 22

3Lacheminement des tours risers ______________________________________________________ 23

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III-LES NAVIRES DE FORAGES _________________________________________________ 24

A/Gnralits sur le positionnement des appareils de forage __________________________ 24

1Positionnement Dynamique ou mouillage conventionnel ? __________________________________ 24

2Capteurs de situation du navire _______________________________________________________ 25

B/Une parfaite matrise des techniques de raccordement _____________________________ 26

1Utilisation de balises acoustiques et des satellites _________________________________________ 26

2Lutilisation de Robots sous-marins____________________________________________________ 27

IV-PRODUIRE, TRAITER, STOCKER EN MER: ROLE DUFPSO _________________________ 28

A/Description_________________________________________________________________ 281Construction innovante du FPSO______________________________________________________ 28

2Livraison et ancrage________________________________________________________________ 29

B/Traitement _________________________________________________________________ 31

1Le Ptrole brute ___________________________________________________________________ 31

2Gaz_____________________________________________________________________________ 31

3Eau de mer _______________________________________________________________________ 31

CONCLUSION______________________________________________________________ 33

BIBLIOGRAPHIE ____________________________________________________________ 34

A/Livres _____________________________________________________________________ 34

B/Ressources INTERNET ______________________________________________________ 34

ANNEXES _________________________________________________________________ 35

Annexe A1 ___________________________________________________________________ 35

Annexe A2 ___________________________________________________________________ 36

Annexe A3 ___________________________________________________________________ 38

Annexe A4 ___________________________________________________________________ 39

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AVANT PROPOS

Un des objectifs de ce mmoire est de dvoiler certaines techniques innovantes dans le

domaine de loffshore profond.

Le forage ne devait pas ou trs peu tre voqu cest en effet une science et un art qui

ne peuvent tre traits en 30 pages seulement. Cependant pour lquilibre et la bonne

comprhension du sujet jai voqu certains procds de forage utiliss au jour daujourdhui.

Ds lors jai orient mon tude sur un projet, rcent, gigantesque et concentrant de

nouvelles volution dans de nombreux domaines; certains spcialistes le surnomme :

laventure Girassol

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INTRODUCTION

Depuis une quinzaine dannes, le forage et lexploitation de sites ptroliers sous-

marins ont connu une rvolution technologique sans prcdent. En effet, pour renouveler leurs

rserves, les compagnies ptrolires se doivent de trouver et de produire des gisements de

plus en plus difficiles daccs, situs dans des environnements de plus en plus complexes. La

transformation et la diversification des techniques ont accompagn et rendu possible cette

volution. Des architectures de puits sophistiques permettent aujourdhui de raliser des

prouesses inconcevables il y a quelques annes encore.

Dans des conditions aussi extrmes que les grandes profondeurs, avec de trs basses

tempratures (0C 4C), de trs fortes pressions, de mouvements de masse deau mal

connus, ou encore des rgions de grande activit tectonique, toute erreur peut se payer trs

cher en termes de manque produire et de cot dintervention ou de remplacement.

Si la conception de puits complexes est lune des cls de ressources nouvelles, leur

ralisation pse galement trs lourd sur les cots dun dveloppement. Par Grands Fonds, les

challenges sont donc techniques mais aussi conomiques et les deux sont souvent

indissociables.

Le 8 juillet 1998 est lanc un des plus ambitieux projet 150 kilomtres au large des

ctes angolaises (cf. annexe A1); Site gant, Girassol (tournesol en franais) est le premier

champ marin dvelopp intgralement par grande profondeur deau (1400 mtres) et il est mis

en production en dcembre 2001 par TotalFinaElf qui dmontre ainsi la faisabilit de telles

exploitations. Ce projet, conduit avec le concours dentreprises angolaises, a ncessit 2,8

milliards de dollars dinvestissement. Il contribue de manire significative la mise en valeur

dune province ptrolire particulirement prolifique.1

1Situ en pleine mer, le bloc 17 (cf. annexe A2) recle des rserves qui assurent lAngola des revenus non

ngligeables. Dune superficie de quelque 400 km2, il compte ce jour douze dcouvertes commerciales. Un

somptueux bouquet compos de Girassol, Dalia, Rosa-Lirio, Tulipa, Orquidea, Cravo, Camlia, Jasmim,Perptua, Violta et Antunio

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Une campagne sismique 3D2d'apprciation de 1 100 km a t ralise avec traitement

embarqu des donnes et cela a permis de relever les informations suivantes : La surface du

champ est trs tendue (18 km sur 10 km) et la partie suprieure du rservoir est localise

une profondeur de 2450m sous le niveau de la mer. Aprs prlvement dchantillons

(carottes) les sables du tertiaire3, trs permables, sont imprgns d'une huile de trs bonne

qualit (32 API4), ce qui donnera une forte productivit aux puits.

Il s'agissait l d'une performance technique exceptionnelle, eu gard la taille du

gisement, la profondeur d'eau et au degr d'avance technologique. Girassol est un projet

d'une trs grande complexit qui a t lanc alors que les techniques ncessaires n'existaient

pas encore. Il fallait en effet poser un rseau de collecte par 1 400 mtres de profondeur d'eau,

raccorder des centaines d'quipements sans intervention humaine et, enfin, installer des tours

de liaison fond surface (tours risers) permettant ainsi la remonte de la production vers le plus

grand navire de stockage traitement du monde : le Girassol FPSO5.

Le schma de dveloppement concevoir dans son intgralit sannonait complexe

mettre au point. Afin de limiter le nombre d'interfaces, le projet a t dcoup en 4 grands

contrats Packages distincts : le forage et lutilisation de puits complexes, le systme de

production sous-marin, les ombilicaux et lignes de production, et le FPSO.

Ce schma devait tout la fois couvrir une vaste surface, conjuguer stabilit et

flexibilit des infrastructures, mettre en uvre des outils et des lments qualifis, autrement

dit garantissant une fiabilit certifie. Il devait aussi faire intervenir des systmes de pose et

de connexions spcifiques, les plongeurs ne pouvant descendre de telles profondeurs. A

lvidence, place tait faite linnovation technologique tant au niveau de la conception des

quipements que de leur pose; ainsi lexploitation de Girassol ouvrait la voie des grandes

profondeurs deau et prparait laccs vers les nouveaux horizons de lultra grand fond6

2Campagne sismique en 3dimensions3Sables de l're tertiaire. Cest la plus grande division des temps gologiques. Le tertiaire s'est coul de -65 -2

millions d'annes. La moiti de la production mondiale de ptrole provient de terrains d'ge tertiaire.4Densit API (chelle arbitraire de densit, exprime en degrs, tablie par l'Institut amricain du ptrole

(American Petroleum Institute) et adopte depuis 1922 par l'industrie ptrolire amricaine. On parle de brut

lourd a moins de 20 API et de brut extra lourd a moins de 10 API.5

FPSO: Floating Production Storage Offloading.6Profondeur d'eau : De 500 1 500 mtres d'eau, on parle de mer profonde (Deep Water) et de 1 500 3 000

mtres, de mer ultra-profonde (Ultra Deep Water).

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I-ARCHITECTURE DUN PUIT GIRASSOL

Pour exploiter les rserves gigantesques de Girassol, il fallait concevoir des

installations compltes, fonctionnant de manire autonome, environ 150 kilomtres des

ctes et par 1 400 mtres de fond. Des installations sous-marines, non seulement soumises

de fortes pressions (de lordre de 140 bars), des courants, mais qui devaient tre aussi

particulirement tendues. Car, si le rservoir sannonait peu profond (1 200 mtres en

dessous du fond de la mer), il couvrait une grande surface de 18 km par 10 km. Rentabilit

oblige, il ntait pas question dinstaller des plates-formes et de forer partir delles une

centaine de puits, comme cela se faisait traditionnellement en mer, par le pass. La grande

profondeur deau ne le permettait pas. A linverse, il fallait concevoir un systme avec un

nombre limit de puits, chacun deux ayant une productivit leve

Figure 1: nonc du problme: distance par rapport la cte et grande profondeur

A/Gomtries des puitsLapparition, il y a une vingtaine dannes, des garnitures de forage orientables

(lensemble des pices mcaniques situes en amont de loutil) a ouvert la voie du forage

dvi. Ces techniques de forage directionnel ont permis aux puits de scarter

progressivement de la verticale. Ainsi, de puits dvis, ils sont devenus puits horizontaux. Ces

derniers reprsentent actuellement plus de la moiti des puits fors dans le monde.

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Pour exploiter le rservoir de Girassol, les techniques de forage de puits

conventionnels et horizontaux ont t retenues. Une approche qui prsentait lavantage de

limiter le nombre de puits forer, doptimiser leur productivit et de pouvoir raccorder les

installations de production de aux champs voisins du bloc 17 qui seront mis en

dveloppement ultrieurement.

Figure 2: principe de puit horizontal

Forer une section horizontale dans

un rservoir permet daugmenter la zone

de contact entre le puits et la roche

imprgne dhydrocarbures et donc

daccrotre la productivit du puits. En

effet, un puits vertical nest en contact avec

le rservoir que sur lpaisseur de celui-ci

(de quelques mtres quelques dizaines de

mtres au plus), alors quun drain

horizontal bnficie de lextension latrale

de la formation et peut se mesurer en

centaines de mtres, voire en kilomtres.

Progressivement, les puits ont aussi atteint des objectifs de plus en plus loigns du

site de forage en surface, ce qui leur ouvre de multiples possibilits dapplication. Il est

dsormais possible daccrotre le nombre et la porte des dveloppements satellites autour des

grands champs dj en production. Cette architecture de puits peut aussi tre adopte pour des

raisons environnementales, par exemple pour viter de forer dans une zone maritime sensible

sur le plan cologique.

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B/Lacquisition et le traitement de linformation, cl du forage

1Acquisition des donnes

Il ne suffit pas de matriser les techniques de forage, encore faut-il pouvoir guider

loutil de forage vers la cible recherche. Il est pour cela ncessaire de se reprer dans le sous-

sol. Lefficacit des forages trouve aussi sa source dans les avances technologiques dcisives

faites dans ce domaine.

Les mesures en cours de forage (Measurement While Drilling ou MWD), dsormais

classiques, sont assures par des capteurs insrs dans la garniture de forage, dont les

indications sont retransmises en temps rel vers la surface o elles sont enregistres en

continu puis traites.

Initialement destin localiser gographiquement lextrmit du puits au fur et

mesure de son avancement, le MWD a progressivement englob les techniques de diagraphies

(logging) ralises habituellement sur le puits une fois termin (mesures de radioactivit

naturelle, de rsistivit lectrique, de rponse acoustique des formations et mme dans le

futur, auscultation par rsonance magntique nuclaire, etc.).

Le MWD devenu le LWD (Logging While Drilling) permet de caractriser en temps

rel la roche en termes de facis gologique, de porosit, de type de fluide, cest--dire de

dterminer le type de formation que lon est en train de forer et donc de se reprer non plus

seulement gographiquement mais aussi gologiquement.

Figure 3: systme acoustique sous-marin pour se situer dans le rservoir

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2Navigation dans le sous sol

Grce ces multiples mesures, le foreur sait dsormais naviguer dans le sous-sol et se

reprer sur la cartographie que lui ont prpare les gologues, les gophysiciens et les

spcialistes du rservoir. Il connat la position gographique et les caractristiques de la ciblede son forage qui ont t dtermines au pralable grce au modle de rservoir. La difficult

reste la prcision du modle (gologique ou rservoir), compte tenu des marges dincertitude

sur tous ces paramtres

Sur le champ de Girassol, avec les nouvelles techniques dimagerie 3D, il a t

possible de visualiser par la modlisation ce que la nature dissimule et de concevoir le profil

du puits de faon interactive, dans un espace trois dimensions qui reconstitue avec prcision

le sous-sol. Longtemps utopique, cette mthode doptimisation des trajectoires des puits est

devenue une ralit lors des nombreuses prospections

Toutes ces mesures gnrent dnormes quantits de donnes. Ce nest que grce aux

avances rcentes des technologies de linformation que lon peut traiter et interprter ces

donnes assez rapidement pour lancer en temps rel des actions correctives, comme la

rectification de la trajectoire dun puits en cours de forage. En effet, ces trajectoires de plus en

plus complexes dans des contextes gologiques de plus en plus difficiles augmentent

considrablement les risques inhrents au forage (pertes de boue, manque de stabilit de la

paroi du trou, sortie intempestive du rservoir qui oblige reprendre le forage en dviation),

ce qui entrane une augmentation des dures de forage et un alourdissement des cots. Mieux

connatre les problmes naturels risquant daffecter un puits pour mieux sy prparer est un

rel dfi pour le futur

Figure 4: Partage des visualisations du site sur le rseau en fonction des spcialits

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C/Productivit des puits

Le dveloppement du champ s'est effectu en deux phases :

-La phase 1, qui va jusqu' la premire production d'huile a mis en place 39

puits. Sur l'ensemble, 23 sont producteurs et certains peuvent produire plus de 35 000

b/j chacun, quatorze autres puits sont injecteurs d'eau, et deux injecteurs de gaz.

-La phase 2 concerne le forage des puits additionnels ainsi que la pose de

lignes de production et d'ombilicaux complmentaires. Elle sest s'acheve en juillet

2003.

Aujourdhui il y a donc 48 puits dont 31 sont producteurs, 14 injecteurs deau et 3 injecteurs

de gazIl ne suffit pas dimplanter correctement un puits dans le rservoir, encore faut-il quil

ait des performances suffisantes et quil les conserve long terme avec le moins

dinterventions possibles. Or, comme pour le forage, plus la gomtrie du puits est

complique et plus les rservoirs quil draine sont htrognes, plus les risques dincidents ou

de dtriorations sont levs et plus il est difficile de garantir long terme la productivit du

puits. Conscients de ce problme, les spcialistes Productivit Puits de TotalFinaElf ont lanc

un ambitieux projet baptis Placement et performances des puits complexes.

Le principal enjeu de ce projet est de garantir lcoulement des fluides de gisement

depuis leur entre par les perforations du tubage (que lon nomme linflow), puis le long du

tubage jusqu la tte de puits (appel quant lui loutflow). Cet coulement au cours duquel

les fluides perdent progressivement leur nergie naturelle doit tre assur malgr tous les

piges qui se tendent sur son passage, tels lendommagement de la permabilit du rservoir

au voisinage du puits par la pntration de boue de forage, ou encore la venue de grains de

roche entrans par les fluides convergeant vers le puits.

La maturit du champs ne fait que durcir le problme, notamment en rduisant

progressivement lnergie de leffluent (En effet la quantit de ptrole dans le rservoir

diminuant il y a une baisse naturelle de pression dans ce dernier) ou en provoquant larrive

de quantits croissantes deau.

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Figure 5: schma simplifi d'une installation terre

La plupart de ces problmes ne sont pas spcifiques aux puits complexes du site de

Girassol mais ils sont seulement beaucoup plus difficiles rsoudre que dans le cas de puits

classiques. Lorsquun puits commence produire de leau, il est courant dinjecter dans le

niveau incrimin du rservoir un agent de colmatage (water shut-off). Dans notre cas, les puits

traversent plusieurs zones diffrentes ; comment tre certain denvoyer ce produit dans la

couche requise ? Le mme problme se pose pour tous les additifs chimiques. Plus

gnralement, comment sparer la production dune des couches dun rservoir multicouche

si elle risque de compromettre la production des autres ?

Les compltions intelligentes sont un moyen innovant pour produire slectivementplusieurs couches rservoir par un mme puits. Cela consiste placer, lentre des drains,

des vannes tlcommande lectrique ou hydraulique qui pourront tre actionnes depuis la

surface au moment voulu. Avec ce contrle local, les zones les plus satures en eau sont peu

produites et ainsi le rsultat est une production plus riche en ptrole au niveau de lensemble

du puit.

Inflow

Outflow

On

conserve la

pression en

injectant de

leau dans

le rservoir

Couche

Permable

Couche

Aquifre

Rserves

de ptrole

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Encore une fois, comme pour la phase de forage, la bonne exploitation des puits

complexes requiert une connaissance et une modlisation de plus en plus fines du sous-sol ;

Il sensuit que le nombre de ces puits complexes devra tre minimis et quils devront assurer

par consquent une productivit leve, au moins de deux cinq fois celle dun puits vertical

classique de mme diamtre. Chaque puit complexe constitue donc un investissement

important mais irremplaable dont on attend beaucoup et pour longtemps. Par consquent, il

faut le construire puis le grer au mieux, tout au long de sa vie.

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II-LUN DES PLUS GRANDS RESEAUX SOUS-MARINS A CE JOUR.

A la diffrence du golfe du Mexique, o foisonnent les installations ptrolires, et des

champs marins du nord du Brsil, galement par grande profondeur deau, le dveloppement

de Girassol ne pouvait bnficier ni de la prsence dun rseau de pipelines auquel se

raccorder, ni dune marge continentale opportune offrant un appui des installations de

production mises en place trs classiquement par moins de 200 mtres deau.

Par ailleurs, pour assurer une exploitation sans interruption de la production, des

difficults de diffrentes natures restaient surmonter. Les sables non consolids qui

constituaient le rservoir pouvaient tre produits en mme temps que le brut extrait et

pouvaient boucher les conduites de production. En outre, il fallait rsoudre les problmes lis

la thermique.

Les ttes de puits de production sont installes sur le fond de la mer et relies par des

flexibles aux installations de surface. Les tours risers permettent la remonte de la production

au FPSO et feront lobjet dune tude spare des autres conduites sous marines.

Figure 6 : liaisons Fond - Surface

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A/Les systmes de production sous-marins

1Description du systme de production

Le schma de dveloppement du projet a ncessit le forage de 48 puits sous-marins

associs au FPSO, savoir 31 puits producteurs, 14 injecteurs d'eau et 3 injecteurs de gaz

associ issu du traitement du brut.

Pas moins de 13 manifolds sous-marins et leur systme de contrle associ ont t

installs sur le fond de la mer.

Les SPS7comprennent

-les ttes de puits

-les manifolds de production8

-les Christmas-tree9

-les interconnexions puits/manifolds (well jumpers).

Figure 7 SPS et lignes de production

7SPS : Systme de production Sous-marin8Manifold: ensemble de conduites et de vannes dirigeant l'effluent ou la production dans des installations.9

Christmas tree ou Xmas tree: (arbre de Nol, en anglais). Tte d'un puits de production. Ensemble de vannes,appareils de contrle et de mesure, en forme de croix, qui constitue la tte d'un puits ruptif en production et sert

contrler son dbit.

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2Qualits et suivi des quipements

Fabriques en Norvge, les ttes de puits capables de supporter de trs fortes pressions

ont pour fonction de contrler le dbit de l'effluent en provenance du rservoir et de fermer le

puits en cas de ncessit.Ces premiers quipements ont fait l'objet de nombreux tests lors de leur rception :

tests en usine, tests en eau profonde Bergen (Norvge). Chaque lment a en effet subi un

contrle trs strict car, plus de 1 000 mtres de profondeur, il est seulement possible de

manoeuvrer la vanne distance ou de faire intervenir un robot. Le moindre dfaut

demanderait de remonter toute la tte de puits, ce qui serait extrmement coteux..

Dans un rapport datant de novembre 2003 il est fait mention que jusqu maintenant, il

ny a pas eu darrt de la production cause des SPS : Il y a eu des avaries, certes, mais qui

non pas eu dimpact sur lexploitation normale du site.

Comme exemple davaries il y a eu des problmes de capteurs (7 au total) situs sur

les puits et aussi des pertes de chaleurs qui ont entrans le remplacement des couvercles de

certaines units au fond. (Cf. voir annexe A3)

B/Le systme de conduites sous-marines

1Description des conduites sous marines

Les ttes de puits sont relies au FPSO par un rseau dUFL10, se composant de :

- 45 kilomtres de lignes de production (bundles11

), conues en boucles au nombre de 6

- 29 kilomtres de lignes dinjection deau (flow-lines)

- 70 kilomtres dombilicaux, regroupant les systmes lectriques et hydrauliques utilesnotamment pour le contrle distance.

- et 3 tours risers qui ont fait lobjet dune innovation majeure pour Girassol

10UFL : Umbilical and flow-lines11Bundles: cesont des lments composites de 75 cm de diamtre contenant deux lignes de production insresdans des modules de mousse dont la fonction est de garder une temprature de 40 l'huile qui, sinon, se figerait

dans les conduites.

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2Les problmes lis la Thermique

Par 1 400 mtres de fond, la temprature de leau est de 4C. Lhuile, qui est 65C

au sein du rservoir, en sort 58C. Bien que dexcellente qualit (32API), le brut angolais

est trs charg en paraffines et ne peut supporter une temprature infrieure 40C sansformer des bouchons de paraffines, or la distance parcourir dans les bundles peut atteindre 7

km auxquels il faut ajouter les 1 300 mtres de hauteur de la tour riser.

Un autre phnomne caractristique des grands fonds est la prsence dhydrates de gaz

dans les couches superficielles en fond de mer (gaz manant de rservoirs sous-jacents qui se

transforme en hydrates dans certaines conditions de pressions et de tempratures) ; les basses

tempratures favorisent la formation de bouchons dhydrates dans les conduites.

Enfin, de la mme faon la formation de bouchons de sulfate de baryum (comparables

du ciment) pouvait aussi se produire au sein du rservoir, lorsque leau de mer y est injecte.

Autant dire que toutes les conditions taient runies pour que sobstruent puits et conduites de

production.

Figure 8: Tests sur les bundles

Figure 9: tests sur les risers en rgion parisienne

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3Prvention face lobstruction des conduites

Pour rgler la question cruciale de lisolation et de linertie thermiques des bundles,

des ombilicaux et des risers qui dterminent la continuit de la production, donc la russite du

projet, un important programme de recherche a t lanc. Il sagissait de mettre au point unisolant qui maintienne lhuile une temprature suffisante tout au long de son transfert, de

telle sorte quelle arrive au moins 40C sur le FPSO ou 25C au bout de seize heures, en

cas darrt de la production12

. En outre, cet isolant devait assurer la flottabilit des tours risers,

et supporter une pression de 140 bar.

Pari tenu : une mousse syntactique13

tout fait performante a t mise au point en

Ecosse. Cette mousse en rsine poxy, teste en France avant dtre mise en place en Angola,

gaine lensemble des lignes de production et dinjection. Elle se prsente sous forme de

modules maintenus par des sangles et envelopps de noprne. Entre chaque bloc de mousse,

des joints en lastomre et mousse minimisent les changes thermiques

Les lignes de production, qui reposent sur le fond marin, se composant de deux

conduites relies en boucle, ce systme permet aux techniciens denvoyer rgulirement des

racleurs14

qui nettoient les parois, empchant la formation de paraffines.

En outre, chaque boucle de production comprend un tuyau qui peut ventuellement

injecter du mthanol dans le circuit pour empcher la formation d'hydrates.15

Enfin, pour viter la formation de sulfate de baryum, une unit de dsulfatation de

leau de mer a t installe sur le FPSO.

12Le CETIAT (Centre Technique des Industries Arauliques et Thermiques) a ralis cette tude sur des

campagnes d'essais avec maquettes chelle 1 ; plusieurs centaines de sondes de temprature ont t mises en

uvre et les rsultats ont prouves que le temps de refroidissement du fioul est de l'ordre de 60 heures, soit

nettement suprieur au cahier des charges (16 heures imposes)..13Mousse syntactique : ce matriau composite est form d'une matrice en rsine poxy et de microsphres de

verre creuses, uniformment rparties, qui donnent la mousse des caractristiques mcaniques suprieures. Le

produit est ensuite moul en pains de mousse et assembl autour des conduites et des lignes de production.

La capacit d'isolation de cette mousse est 500 fois suprieure celle de l'acier.14Racleur : les racleurs, envoys depuis la surface via l'une des lignes d'une tour riser, passent dans les bundles

et les manifolds, puis remontent la surface par l'autre ligne de la boucle.15De nombreuses tudes dans ce domaine ont t ralises en collaboration avec lIFP (Institut Franais du

Ptrole)

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Figure 10: bundles en attente Soyo

La construction de ces lignes a t ralise sur le site de Soyo , au nord de la cte

angolaise. Huit bundles de 800 mtres 2,9 km de longueur ont t assembls sur ce chantier

d'tre remorqus sur le fond de la mer jusqu'au site de Girassol.

C/Les tours risers

Les risers conduites faisant le trait dunion entre le fond et la surface. Que ce soit pour

remonter la production dhuile, injecter leau ou le gaz, tlcommander et contrler les

installations sous-marines, ou encore injecter les produits chimiques ncessaires la

production constituaient le principal dfi de linstallation sous-marine du projet Girassol.

Dautant quil fallait prvoir dinstaller un nombre lev de risers.

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1Des tours risers quatre fois plus hautes que la tour Eiffel

Ces structures lances, ont pour fonction de remonter les effluents depuis le fond de

la mer jusqu'au FPSO. Leur conception a fait l'objet d'tudes dtailles et de tests en

laboratoire ( Sartrouville, dans la banlieue parisienne) afin de vrifier les performancesd'isolation thermique de la mousse syntactique incorpore (cf. Figure 9).

Faute de trouver sur le march des systmes industriels susceptibles de remplir ces

fonctions par grande profondeur, il a fallu innover et crer un concept radicalement nouveau.

2Un concept innovant devenu majeur

Le systme dvelopp pour Girassol repose

sur lide de regrouper les risers au sein de

trois tours, ainsi appeles tours risers en

raison de leur hauteur16

. Chacune

comprend quatre lignes de production,

deux lignes dinjection deau ou de gaz,

quatre lignes de gas-lift et deux lignes de

service (introduction racleurs), toutes

disposes autour dun tube dacier central

de forte paisseur, servant dlment

structurel et de reprise des forces exerces

sur lensemble. (cf. annexe A4)

16Chaque tour riser a un diamtre de 1,5 m pour une

longueur de 1 250 m.

Figure 11 : reprsentation des trois tours risers

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3Lacheminement des tours risers

Il a fallu remorquer ces 1 250 mtres de conduites depuis leur site de construction

jusqu' celui de leur destination finale sur le champ de Girassol. Il tait indispensable qu'elles

subissent le moins de sollicitations possible pendant le trajet en mer, et ce, malgr les courants

et les vagues. Le remorquage de chaque riser n'a pris que cinq jours et leur mise en place qui

pourtant constituait une premire s'est effectue en quelques heures.

Arrive sur site, chaque tour riser a t bascule au moyen d'un contrepoids. Le suivi

permanent de ce basculement s'est opr grce un ensemble de capteurs de position situs

sur la tour riser, sa partie infrieure tant retenue dans sa descente par des lignes raccordes

des navires positionnement dynamique. Une fois la verticale et raccorde une ancre

succion, la tour riser est maintenue grce au flotteur de tte17

et la flottabilit de la mousse

syntactique. Enfin la liaison avec le FPSO est assure par des flexibles connects au toit du

flotteur, au moyen de brides raccordes par des plongeurs.

Figure 12: Flotteur situ la tte d'une des trois tours

Figure 13: Connections sur les ttes des tours

17

Pour la partie suprieure : un flotteur de 40 m de long maintien en tension chacune des tours risers en exerantune pousse de 450 tonnes. De ce fait, chaque tour se comporte comme un pendule invers dont le point de

fixation se trouverait au niveau du fond marin.

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III-LES NAVIRES DE FORAGES

Pour le forage et la compltion18

des puits, deux bateaux de forage positionnement

dynamique19, le Pride Angola et le Pride Africa, ont t spcialement construits en Core du

Sud pour le site de Girassol. Le forage a commenc fin juin 2000 avec le Pride Africa.

A/Gnralits sur le positionnement des appareils de forage

1Positionnement Dynamique ou mouillage conventionnel ?

Laugmentation de la profondeur deau a naturellement fait voluer les engins de

forage vers les systmes de positionnement dynamique, de prfrence aux ancrages

classiques . En effet, en Angola, o les conditions mtorologiques ne sont pas trop

mauvaises, nous pouvons assurer statistiquement 85% que, sur une hauteur deau denviron

1500m, le navire restera la position voulu 1.5m prs alors quen utilisant des ancres cette

distance est 10 fois plus grande soit 15m.

Les spcificits du grand fond et notamment les besoins en charges variables des

appareils de forage ont conduit construire des units de trs grandes dimensions Dans notre

cas, les charges variables du Pride Angola sont suprieures au dplacement dun navire DP

premire Gnration type Plican20

. Les puissances installes sont en proportion et peuvent

atteindre 60 000 cv. Le maintien en position et la matrise de la puissance de telles units ne

vont pas sans problme du fait de la nouveaut et de labsence dexprience sur les dispositifs

installs. Ces navires pour une plus grande stabilit, sont quips de propulseurs vitesse

variable.

18Compltion Ensemble des oprations faites au cours d'un forage sur une couche productrice dtermine, qui

commencent au forage de cette couche et se terminent par sa mise en production dfinitive.19Navire ou unit DP : Navire Positionnement Dynamique : Maintien d'un engin flottant en station, en

particulier la verticale d'un puits en mer, en opposant la force de drive la raction conjugue de propulseurs

contrls par calculateurs.20Ces navires prcurseurs dans ce domaine avec le TOUCAN et le PETREL ont fait lobjet dtudes importantes

face aux effets de la mer tels que le roulis, le tangage et le pilonnement.

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Figure 14: Navire de forage Pride Angola

2Capteurs de situation du navire

La position du centre du navire est fournie par une triangulation acoustique partir

dmetteurs situs sur le fond de la mer et dun rseau dhydrophones fixs sous la coque

selon une gomtrie rigoureuse. La fiabilit des balises acoustiques sous-marines est

relativement handicape par lattnuation et le temps de trajet du signal dans la tranche deau.

Le signal de ces balises est galement brouill par les bruits de propulsion et de mer. Cest

pourquoi dans un premier temps on utilise une redondance des transpondeurs et des

hydrophones qui permet de pallier ces perturbations sur le parcours des signaux en liminant

les mesures aberrantes.

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Cependant si la mesure acoustique est durablement indisponible une rfrence

secondaire est automatiquement substitue :

-Un systme de tlmtrie radio-lectrique de surface peut tre utilis.

-On peut utiliser langle du tube prolongateur (liaison entre fond et la surface lors des

opration de forage) qui est muni de capteurs et ainsi valuer lcart de position.

-Mais les nouvelles units DP utilisent principalement des signaux de satellites GPS21

corrigs par des balises DGPS ; de ce fait une conjugaison de ces mthodes permet

doptimiser le positionnement des units flottantes et ainsi une prcision accrue des

manoeuvres

B/Une parfaite matrise des techniques de raccordement

1Utilisation de balises acoustiques et des satellites

Du fait de lloignement des cotes et de la profondeur deau, les systmes de

rfrences de position classiques la balise de radionavigation ne sont pas employables.

L'une des phases les plus critiques du projet a t la mise en place des conduites sous-

marines et leurs connexions aux quipements de production. Il fallait en effet positionner les

conduites avec une grande prcision (de l'ordre du mtre). On a utilis pour cela des balises

acoustiques du systme SAMS22

en collaboration avec les satellites poses au fond de la mer

et les connexions sous-marines ont t ralises par deux robots tlcommands depuis la

surface.

Figure 15: utilisation de deux sources de positionnement

21GPS : Global Positioning System22SAMS22(Subsea Acoustic Monitoring System)

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2Lutilisation de Robots sous-marins

La dpose des quipements sur le fond de la mer (ancres et manifolds), mais aussi des

lignes de production et des risers, a t conduite partir de ces navires de la socit Foramer

(Pride International) spcialement quips pour travailler par grande profondeur.

Une centaine de connexions ont t ncessaires pour raccorder les ttes de puits aux

manifolds qui vont grer les flux, puis aux tours risers elles-mmes raccordes au FPSO. Ces

connexions ont pu tre ralises en un temps record grce des systmes robotiss sous-

marins comme : le MATIS23

, pour procder aux connexions par brides,

-et le CAT24

. Pour les connexions aux manifolds et ttes de puits sous-

marines.

Ils ont t pilots par des ROV25

,

Le MATIS date de 1994. Celui qui est utilis Girassol a t construit pour des

oprations de connexions des profondeurs de plus de 3000 m. C'est le rsultat des efforts qui

ont t faits pour optimiser les matriels utiliss en eaux profondes. Il ne ncessite pas

d'ombilicaux spciaux et il est quip de boulons, dcrous et de joints afin de connecter trois

conduites sans avoir remonter la surface.

Figure 16: bras articul du MATIS avec sa pince

23Le MATIS (modular advanced tie-in system),24

CAT (connector activating tool).25Des ROV (Remote Operated Vehicles) engins sous-marins tlcommands depuis les bateaux dinstallation

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IV-PRODUIRE, TRAITER, STOCKER EN MER: ROLE DU FPSO

A/Description

Le recours une structure flottante et mobile de production et de stockage, en bref

FPSO, sest demble impos. Une technique classique, certes, mais prenant ici une

dimension exceptionnelle. En effet, le btiment devait tre la mesure du projet : produire

200 000 barils/jour et stocker 2 millions de barils destins approvisionner les tankers, via

une boue de chargement, et hberger 140 personnes dans ses quartiers dhabitation. Il a bien

entendu lnorme avantage de fonctionner de manire autonome

1Construction innovante du FPSO

En trois ans, le Sud-Coren

Hyundai a fabriqu ce qui est ce jour le

plus grand FPSO au monde. La coque et le

pont ayant t construits sparment. La

coque a t prvue pour assurer le

stockage, tandis que le pont est intgr, ce

qui est tout fait novateur : lensemble des

quipements de production et de

traitement, qui reprsente quelque 25 000

tonnes, y a t fix ds la construction sur

les chantiers corens. Une premire et une

vraie performance.

Figure 17:sortie de cale sche de la coque

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L'aspect le plus important du plan consistait construire la partie suprieure - d'abord

prvue pour peser environ 20 000 tonnes vide - comme une unit autonome puis la faire

coulisser sur la coque comme un pont intgr de 180 mtres de long. Par la suite, on a prfr

construire la partie suprieure en " petites " units d'un maximum de 350 t. L'ensemble pas

moins de 25 000 tonnes a t mont Ulsan en 21 mois. Quant la coque, qui reprsente

environ 42 000 t, elle est sortie de cale sche en juillet 1999 et a t termine en octobre de la

mme anne

2Livraison et ancrage

Le 30 mars 2001, la plus grande

usine flottante de production commenait

son priple vers l'Angola, tir par trois

puissants remorqueurs.

Le 11 juillet, aprs un voyage de

trois mois, le navire arrivait sur site. Une

fois sur place, il a fallu assurer la stabilit

du FPSO. Figure 18: Voyage du FPSO entre la Core dusud et le site de Girassol

Figure 19: Boue de chargement avec en arrireplan le FPSO

Lancrage, en effet, reprsentait un

autre dfi en raison du poids de la structure

elle-mme, des infrastructures sous-

marines verticales, rigides et lourdes,

auxquelles le FPSO est reli, et surtout enraison de la prsence de fonds mouvants.

Mme problme pour lancrage de la

boue de chargement.

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Un systme dancres succion a t adopt et mis au point. Ces ancres se prsentent

comme dnormes cylindres dacier de 17 mtres de haut, pesant 160 tonnes et utilisant un

cble gain de 1,8 km et 120 mm de diamtre, avec des chanes chacune de ses extrmits

(650 mtres au fond et 200 mtres en haut).

Pour le FPSO, pas moins de seize ancres succion (quatre chaque angle) ont t

ncessaires. Ainsi maintenu, le btiment peut vacuer en toute scurit la production de brut :

deux lignes dexpdition le relient la boue de chargement o viennent sapprovisionner les

tankers au rythme initialement prvu dune rotation tous les cinq jours.

Amarre un mille afin dviter les collisions, la boue est elle-mme ancre par neuf

lignes.

Le brut est envoy par deux pipelines jusqu' une boue de chargement situe 1.2

milles de la barge de traitement. Lorsque la boue de 19 mtres de diamtre est arrive sur le

chantier par la mer, elle a t relie son propre systme d'amarrage 1 mille du FPSO.

Une fois la boue en place, la voie

tait libre pour installer les pipelines de

chargement partant du FPSO. Afin d'viter

d'avoir les poser sur le fond de la mer

pour les remonter ensuite jusqu' la boue,

on a prfr une approche de lignes

flottantes entre deux eaux. Deux lignes en

acier de 16 pouces ayant la forme d'un W

flottent l'une au-dessus de l'autre, la plus

leve mesurant 2 400 mtres de long et la

plus profonde 2 750 mtres. C'est une srie

de 29 modules de flottabilit fixs au

milieu des parties de ces pipelines qui

donnent aux lignes cette forme particulire.

En opration normale, la partie du W la

plus haute est une profondeur de 340

mtres pour la ligne suprieure, tandis que

la partie la plus immerge descend 690

mtres, pour la ligne la plus basse.

Figure 20: liaison entre le FPSO et la boue dechargement

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B/Traitement

Le FPSO comprend une unit de traitement de l'eau de mer, un systme de

dsulfatation, une unit de traitement et de stabilisation du ptrole, des pompes, des

gnrateurs... sans compter les citernes de stockage.

1Le Ptrole brute

Le FPSO rcupre le brut et le spare du gaz et de l'eau avant de le charger bord des

ptroliers venus s'y approvisionner. Il existe une dizaine d'exploitations de ce type travers le

monde, mais aucune n'a l'importance de Girassol.

Pour rsumer le fluide, en provenance des ttes de puits, est trait au cours de 3 stades

des pressions et des tempratures varies.

Pendant ces tapes, des processus de sparation entre la phase ptrole, leau et la phase

gazeuse soprent.

Le brut est ainsi stock aprs dsalinisation et rfrigration 45C dans les 12 ballasts

de stockage du Navire en attendant dtre transporter via les rseaux de collectes sur les

navires de transports.

2Gaz

Les gaz ainsi spars subissent par la suite diverses compressions et ont ds lors

plusieurs utilits:

-La production dnergie lectrique (5 turbognrateurs)

-La production dnergie mcanique (5 turbines)

-La production de chaleur

-La rinjection de Gaz dans le rservoir

Pour rappel, linjection de gaz dans le rservoir sert entre autre maintenir une

pression suffisante la tte de puit dans le rservoir mais aussi limiter la production de gaz

effet de serre en vitant dtre brl par les torchres.

3Eau de mer

Leau de mer est prleve 90 m de profondeur ceci, dans le but de maintenir sa

temprature entre 13C et 20C pour dune part accrotre lefficacit des systmes de

rfrigration du bord et dautre part pour maximiser les performances des membranes anti-

sulfate.

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En effet les besoins sont les suivants :

Pendant la phase de production du ptrole, l'eau est injecte dans le rservoir pour

tablir une pousse d'eau externe et maintenir la pression dans le rservoir (l'eau de mer est

injecte en remplacement du brut extrait). Pour les oprateurs un des points essentiels rside

dans la qualit de l'eau injecte et la fiabilit de l'unit de traitement de l'eau afin d'viter tout

risque de formation de plaques de sulfate dans le puits.

La source d'eau d'injection du FPSO Girassol est l'eau de mer. Les spcifications

correspondaient un systme capable de transformer 400 000 barils d'eau de mer en eau

d'injection par jour.

Une socit spcialiste dans le domaine a conu et construit le systme d'injection

d'eau de mer Girassol, l'un des plus grands du monde. L'installation utilise une technologie

d'limination du sulfate et permet la transformation de 400 000 barils d'eau de mer en eau

d'injection par jour. Le procd d'limination du sulfate emploie la technologie de pointe de

nanofiltration qui permet de supprimer les ions de sulfate de l'eau de mer tout en laissant les

chlorures passer travers le filtre, veillant ainsi maintenir la stabilit de l'argile du rservoir.

Il aura ainsi fallu trois ans et cinq mois pour concevoir, fabriquer et mettre en

production, le 4 dcembre 2001, lensemble des installations de Girassol. Le 15 fvrier 2002,

le champ produisait 200 000 barils/jour : le plateau de production tait atteint.

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CONCLUSION

Depuis Girassol, les oprateurs du bloc 17 ont fait d'autres dcouvertes, dans des

profondeurs d'eau atteignant 1 700 mtres

Dalia a t dcouvert aprs Girassol et fera l'objet du prochain dveloppement.

Identifi en septembre 1997 sous 1 300 mtres d'eau, ce champ recle des rserves encore

suprieures celles de Girassol ainsi qu'un meilleur potentiel de production

Ce projet se dveloppera galement autour d'un navire de stockage-traitement (FPSO)

et d'un systme de production sous-marin. Le schma de base compte 67 puits sous-marins

(34 producteurs, 30 injecteurs d'eau et 3 injecteurs de gaz). L'ingnierie de base des

installations de production du FPSO mme de traiter 225 000 b/j d'huile est en cours.

La date de mise en production est prvue dans le courant de l'anne 2006.

Actuellement, le taux de rcupration, lchelle de la plante, est de lordre de 35%,

en moyenne selon les experts, gagner 1% cest gagner de 3 4 annes de consommation;

lobjectif est datteindre 65% de rcupration ; les recherches actuelles se concentrent sur des

capteurs permanents, outils de mesure placs au fond des puits, acqurant des donnes en

continu.

Ainsi une connaissance beaucoup plus prcise du comportement du rservoir

permettra doptimiser les performances de production.

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BIBLIOGRAPHIE

A/Livres1 GAUCHER D, VASSEUR B. Cours de Forage en mer Tome 1-2-6-8-9. Forasol-Foramer

(ed.).Paris 1986

2 DEPAZZIS L. DELAHAYE T, BESSON J.L, LOMBEZ J.P.

New Gas Logging System Improves Gas Shows,

Analysis and Interpretation. 1989

Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, Vol. 59 2004 No. 4

3 BEDA G., QUAGLIAROLI R., SEGALINI G., BARRAUD G,

MITCHEL A. A REAL Time Geologic and Reservoir

InterpretationTool. SPWLA, Gas While Drilling (GWD), 1999

B/Ressources INTERNET

Site officiel doffshore technology : http://www.offshore-technology.com/projects/girassol/

Site officiel de sonardyne : http://www.sonardyne.co.uk/

Site officiel de lassociation Atma : http://www.atma.asso.fr

Site de dnv : http://www.dnv.co.uk/technologyservices

Site officiel du Ministre de lindustrie : http://www.industrie.gouv.fr

Site officiel deuro-ptrole : http://www.euro-petrole.com

Site Total: http://www.total.com

Site officiel dIfremer : http://www.ifremer.fr/dtmsi/redms/girassol.htm

Site de .Pride international forasol foramer : http://www.prideinternational.com

Site de lInstitut Franais du Ptrole : http://www.ifp.fr

Site daftp : http://www.aftp.net/revue/som_num.html?num_revue=440

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ANNEXES

Annexe A1

Les diffrents intervenants sur le projet Girassol

Principaux entrepreneurs :Pour le FPSO:Mar Profundo Girassol (= Bouygues Offshore 50 % et Stolt Offshore

50 %)

Principaux sous-traitants :Engineering : Technip-Sofresid

Construction du FPSO : Hyundai Heavy industries

Boue de char ement : SBM

Pour les UFL:Alto Mar Girassol (=Stolt Offshore 67 % et Bouygues Offshore 33 %)

Principaux sous-traitants :Ingnierie : Doris Engineering

Elments d'isolation et de flottabilit : Balmoral

Flexibles : NKT

Ombilicaux : Multiflex

Rservoirs de flottabilit : Tissot

Pour les SPS(quipements sous-marins) :Kongsberg Offshore Services

Pour le forage:Pride international

Investissement global :..............................2,8 milliards de dollarsPlateau de production :.............................................200 000 b/j

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Annexe A2

Situation gographique du site de Girassol

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Les diffrents champs sur le bloc 17 ce jour

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Annexe A3

Les causes darrt de la production durant la premire anne dexploitation

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Annexe A4

Connections au niveau de la tte du riser

Connections entre les lignes de fonds et la partie infrieure de la tour riser