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Plate-forme de forage, structure fixe, flottante ou sous-marine servant de support aux appareils de forage utilisés pour rechercher, exploiter et produire du pétrole brut ou du gaz naturel en milieu marin. Les plates-formes de forage sont utilisées dans les mers et les océans du monde entier, notamment dans les régions où les gisements d'hydrocarbures se trouvent sous le fond marin.

On estime aujourd'hui qu'environ 30 p. 100 de la production mondiale de pétrole provient de gisements offshore, c'est-à-dire exploités en mer. Les principales zones de production se situent notamment en Mer du Nord, dans le Golfe Arabo-Persique et dans le Golfe du Mexique. C'est dans ce dernier qu'a été construite, en 1947, la première véritable plate-forme de forage en mer, installée sur un site de seulement 7 m de profondeur.

Depuis cette époque, l'évolution des techniques de construction, de forage et de positionnement a permis d'intervenir dans des zones de plus en plus profondes. Les forages offshore modernes peuvent aujourd'hui être réalisés par plusieurs centaines de mètres de profondeur, parfois bien au-delà de 400 m d'eau.

Une approche d'ingénierie très originale a permis aux compagnies pétrolières de relever les défis posés par l'exploitation des hydrocarbures dans des environnements difficiles, notamment dans la mer du Nord, considérée comme l'une des zones maritimes les plus hostiles du monde en raison de ses tempêtes, de ses vagues importantes, de ses vents violents et de ses températures basses.

Les équipements de surface, comprenant les installations de traitement, les systèmes de séparation du pétrole, du gaz et de l'eau, les zones d'entreposage ainsi que les logements du personnel, ont été constamment perfectionnés. Les structures qui soutiennent ces équipements sont conçues pour résister à des conditions météorologiques extrêmes tout en permettant l'exploitation dans des eaux de plus en plus profondes et agitées.

Les technologies modernes de positionnement, utilisant la radio, l'acoustique sous-marine, les lasers et les satellites, permettent aujourd'hui de positionner les plates-formes avec une très grande précision. Bien que l'extraction du pétrole et du gaz soit encore souvent perturbée par les tempêtes ou les mauvaises conditions de mer, les progrès dans la conception des plates-formes et dans les techniques de forage ont permis de réduire considérablement les temps d'arrêt et les pertes de production.

Plates-formes d'exploration

La plate-forme autoélévatrice, également appelée «jack-up», est fréquemment utilisée dans les eaux peu profondes. Elle est remorquée jusqu'au lieu de forage, puis ses piles métalliques ou jambes télescopiques sont abaissées jusqu'au fond marin. Une fois les appuis solidement ancrés, la plate-forme est élevée au-dessus de la surface de l'eau, souvent d'environ 40 m, afin de la protéger des vagues et de permettre le travail en sécurité.

Les profondeurs plus importantes, dépassant souvent 300 m, ainsi que les conditions de mer difficiles rencontrées notamment en mer du Nord, nécessitent l'utilisation de plates-formes semi-submersibles. Ces installations flottantes reposent sur des pontons immergés et stabilisés par ballast, ce qui leur permet de mieux résister aux mouvements de la mer. Lorsque la profondeur n'est pas excessive, ces plates-formes peuvent être maintenues en position grâce à un système d'ancrage.

Les modèles les plus modernes utilisent des systèmes sophistiqués de positionnement dynamique destinés à compenser les effets des vagues, du vent et des courants marins. Des propulseurs installés autour de la coque sont reliés à des ordinateurs de bord capables de corriger en permanence la position de la plate-forme à partir de signaux transmis par des capteurs sous-marins.

Une innovation importante a été l'apparition du compensateur de pilonnement, dispositif qui réduit les effets des mouvements verticaux de la plate-forme par rapport à la colonne montante reliée à la tête de puits. Ce système a permis de diminuer fortement les interruptions de travail dues aux mouvements de la mer.

Le forage est effectué à partir du derrick, grande tour métallique verticale à laquelle est suspendu le train de tiges de forage constitué de tuyaux d'acier assemblés les uns aux autres. Une boue artificielle, appelée fluide de forage, circule en permanence dans le trou afin de lubrifier les outils, de remonter les débris rocheux vers la surface, de maintenir la pression et de fournir des indications sur les couches géologiques traversées.

Le tubage correspond à un revêtement intérieur en acier épais placé dans le puits afin de maintenir les parois, d'empêcher les effondrements et de protéger les nappes d'eau souterraines. Ce tubage sert également de conduit par lequel le pétrole ou le gaz remonte jusqu'à la surface.

De nouvelles techniques ont été mises au point pour augmenter le nombre de réservoirs pouvant être exploités à partir d'un même emplacement. Le forage horizontal, également appelé forage dévié, permet d'orienter le trépan afin d'atteindre des poches de pétrole éloignées du point vertical initial. Cette technique améliore considérablement le rendement d'un gisement.

Le forage motorisé utilisant une turbine ou un moteur volumétrique installé directement dans le puits permet des forages plus rapides et plus précis, notamment dans les puits déviés ou fortement courbés. Les systèmes de forage automatique intégrés réduisent le nombre de travailleurs nécessaires sur la plate-forme, ce qui diminue les coûts d'exploitation et améliore la sécurité.

Plates-formes de production

Systèmes fixes

La production de pétrole et de gaz dans de nombreux gisements est assurée par des plates-formes fixes en acier ou en béton capables de résister à des vents atteignant 260 km/h et à des vagues de plus de 30 m de hauteur.

Les progrès de l'analyse structurale assistée par ordinateur et l'emploi d'aciers à haute résistance ont permis de concevoir des structures plus légères et plus fines que les lourdes plates-formes des années 1970, sans compromettre leur robustesse ni leur sécurité.

Les plates-formes fixes sont généralement installées sur des piliers d'acier appelés pilotis, qui sont fabriqués à terre puis enfoncés dans le fond marin. Une fois ces pilotis en place, le pont principal est installé et les différents modules de production sont ajoutés progressivement.

Les modules sont des unités préfabriquées contenant des équipements spécialisés : installations de traitement du pétrole et du gaz, systèmes de forage, salles de contrôle, ateliers, réfectoires ou logements pour le personnel. Certains modules peuvent peser jusqu'à 10 000 t.

Grâce à l'augmentation des capacités de levage en mer, il est désormais possible de transporter et d'installer des ensembles beaucoup plus volumineux qu'auparavant. Plutôt que d'assembler les équipements sur place, les industriels préfèrent souvent construire à terre des ponts complets ou des modules intégrés, puis les installer d'un seul bloc sur la plate-forme.

Les vaisseaux-grues spécialisés sont capables de soulever des structures entières. Un record mondial fut établi en 1991 lors de l'installation d'un module unique de 10 750 t sur la plate-forme pétrolière Piper Bravo.

De nouvelles embases en béton construites en cale sèche sont désormais utilisées en complément ou à la place des pilotis d'acier. Ces structures massives présentent l'avantage d'offrir une grande stabilité, une importante capacité de stockage du pétrole et la possibilité de supporter des charges très lourdes. Elles reposent sur leur propre poids lorsqu'elles sont immergées.

La première structure moderne à embase en béton installée dans le sud de la mer du Nord en 1989 utilisait environ 23 000 t de béton, soit beaucoup moins que les anciennes structures construites dans les années 1970, qui pouvaient nécessiter jusqu'à 125 000 t de matériau.

Systèmes flottants

Le premier système de production flottant au monde fut utilisé sur le gisement d'Argyll en 1974. Les plates-formes flottantes de production permettent d'exploiter des gisements plus modestes qui ne justifieraient pas les investissements nécessaires à la construction d'une plate-forme fixe.

Ces systèmes sont également particulièrement utiles pour les grands fonds, où l'installation de structures fixes devient techniquement difficile et extrêmement coûteuse. Les installations flottantes risquent en outre moins de subir des dommages structuraux lors des tempêtes, car elles peuvent accompagner une partie des mouvements de la mer.

Lorsque le gisement est épuisé, ces plates-formes peuvent être déplacées vers un autre site d'exploitation, ce qui améliore leur rentabilité. Beaucoup de systèmes flottants utilisent d'anciens pétroliers ou supertankers transformés en unités de production, de stockage et de déchargement.

Systèmes semi-submersibles

Les unités semi-submersibles sont des plates-formes de travail reposant sur de grands pontons immergés, reliés à la structure supérieure par des piliers verticaux. Leur coque est spécialement conçue afin de réduire au maximum les mouvements provoqués par les vagues, les courants et le vent. Grâce à cette conception, elles offrent une excellente stabilité même dans des mers agitées.

Ces installations disposent généralement d'hélices ou de propulseurs commandés par ordinateur qui permettent de maintenir automatiquement la plate-forme exactement au-dessus du trou de forage, même lorsque les conditions météorologiques sont difficiles. Ce système de positionnement dynamique corrige en permanence les déplacements dus au vent, aux vagues ou aux courants marins.

Les plates-formes à jambes de force, parfois appelées « tension leg platforms », sont particulièrement adaptées aux eaux profondes. Dans ce type d'installation, le pont principal est porté par une coque flottante reliée au fond marin par de longs tubes ou câbles d'acier fortement tendus. Cette tension permanente permet d'absorber les mouvements des vagues tout en limitant les oscillations verticales de la plate-forme.

Ces plates-formes sont ancrées solidement au fond de la mer et conviennent particulièrement à l'exploitation de gisements situés à plusieurs centaines de mètres de profondeur. Elles offrent une meilleure stabilité que les plates-formes flottantes classiques tout en étant plus faciles à installer que certaines structures fixes.

Systèmes sous-marins

En plus des plates-formes visibles en surface, il existe des systèmes de production entièrement sous-marins destinés à exploiter les marges extrêmes de grands gisements ou des gisements trop petits pour justifier la construction d'une plate-forme complète.

Ces systèmes comprennent des têtes de puits, des collecteurs, des vannes, des dispositifs de contrôle et des équipements de séparation installés directement sur le fond marin. Ils sont reliés par des canalisations et des cordons ombilicaux à des navires de production, à des plates-formes voisines ou à des installations situées sur la côte.

Les collecteurs sous-marins permettent de regrouper les hydrocarbures provenant de plusieurs puits avant de les envoyer vers une unité centrale de traitement. Cette organisation rend possible l'exploitation de gisements éloignés ou de taille réduite, tout en limitant les coûts d'infrastructure.

On utilise de plus en plus des satellites sous-marins, c'est-à-dire de petites installations autonomes reliées à une grande plate-forme centrale. Certaines stations automatiques fonctionnent pratiquement sans intervention humaine directe et peuvent être surveillées à distance depuis la surface ou depuis la terre ferme.

Nouvelles technologies

Production polyphasique

Les premiers travaux de recherche sur la production polyphasique remontent au début des années 1980. Aujourd'hui, cette technologie a dépassé le stade expérimental et fait l'objet de premières applications industrielles.

La production polyphasique consiste à transporter simultanément dans une même conduite plusieurs phases d'un mélange, par exemple du pétrole, du gaz et parfois de l'eau. Cette méthode évite la nécessité de séparer immédiatement les différents fluides dès leur sortie du puits.

Les systèmes de pompage polyphasique permettent d'augmenter la production de pétrole d'environ 15 p. 100. Ils facilitent également l'exploitation des gisements profonds ou éloignés des centres de traitement traditionnels. Des progrès restent toutefois nécessaires pour rendre cette technologie totalement fiable et adaptée à tous les types de gisements.

À long terme, la production polyphasique pourrait permettre de réduire fortement les coûts d'exploitation offshore, en limitant le nombre de plates-formes nécessaires et en simplifiant les réseaux de conduites sous-marines.

Barge en béton

Dans les années 1990, à environ 60 km des côtes du Gabon, une compagnie pétrolière a développé un concept nouveau de barge flottante en béton précontraint destinée à servir de support de production offshore.

Cette barge offre une surface de pont proche d'un hectare et peut accueillir à la fois les logements du personnel, les installations de traitement du pétrole et du gaz, ainsi que les équipements de traitement et d'injection d'eau.

Le béton précontraint présente plusieurs avantages pour ce type d'installation : il résiste bien à la corrosion marine, nécessite peu d'entretien et permet de construire des structures très robustes. Cette solution permet également de réduire les coûts d'investissement par rapport à certaines plates-formes métalliques plus complexes.

La mise en service rapide de ce type de barge permet de commencer l'exploitation du gisement dès son installation sur site, sans attendre la construction d'une infrastructure fixe plus importante.

Puits à grand déport

Les puits à grand déport sont des puits dont le rapport entre la distance horizontale parcourue et la profondeur verticale est supérieur à 2. Ce type de forage permet d'atteindre des gisements très éloignés de la plate-forme ou du point de départ du puits.

Cette technique présente plusieurs avantages : elle permet d'exploiter des gisements situés sous des zones protégées, des zones urbaines, des côtes ou des fonds marins difficiles d'accès, tout en réduisant le nombre de plates-formes nécessaires.

Un record mondial a été établi en septembre 1996 sur le champ de Wytch Farm, situé sur la côte sud de l'Angleterre. Le puits a été foré avec un déport horizontal de 8 035 m pour une profondeur de seulement 1 611 m.

Ce forage exceptionnel a duré environ quatre mois et a nécessité l'utilisation de 20 trépans différents. L'originalité de cette réalisation tient au fait que la plate-forme de forage était située à terre, à seulement 200 m du rivage, alors que le gisement exploité se trouvait à environ 8 km au large.

Sécurité

L'extraction du pétrole et du gaz naturel en mer constitue une activité industrielle extrêmement dangereuse. Les opérations de forage, de production et de traitement mettent en jeu des substances très inflammables et très volatiles, qui présentent en permanence des risques d'incendie ou d'explosion.

Le pétrole brut, le gaz naturel et certains hydrocarbures légers peuvent s'enflammer très facilement au contact d'une source de chaleur, d'une étincelle ou d'une décharge électrique. En outre, des gaz toxiques et corrosifs comme l'Hydrogène sulfuré peuvent s'échapper des puits, des conduites ou des installations de traitement. Ce gaz est particulièrement dangereux car il est toxique même à faible concentration et peut provoquer une perte de connaissance rapide.

Les plates-formes de forage doivent également faire face à d'autres risques majeurs : tempêtes, vagues géantes, vents violents, collisions avec des navires, incendies, ruptures de conduites, effondrements de structures ou accidents liés à la manutention d'équipements lourds.

Pour limiter ces dangers, tous les matériaux et toutes les installations utilisés dans la construction offshore sont soumis à des essais très rigoureux. Les structures métalliques, les fondations, les équipements mécaniques et les systèmes électriques doivent être capables de résister aux forces exercées par la mer, les vagues, les courants, le vent et les variations de température.

Les plates-formes modernes sont équipées de nombreux dispositifs de sécurité destinés à prévenir les accidents et à protéger les travailleurs. Lors du forage, l'un des équipements essentiels est l'obturateur de sécurité installé sur le puits.

Cet appareil, souvent appelé « blowout preventer », permet d'interrompre rapidement le débit du pétrole ou du gaz lorsqu'une augmentation brutale de pression risque de provoquer une éruption incontrôlée du puits. Ce type d'accident, appelé blowout, peut entraîner un incendie, une explosion ou une pollution majeure.

Les obturateurs de sécurité sont capables de fermer automatiquement le puits en cas d'urgence, grâce à des systèmes hydrauliques très puissants. Ils constituent l'un des éléments les plus importants de la sécurité des forages offshore.

Des techniques de prospection sismique, dérivées de la Sismologie, sont également utilisées afin de détecter à l'avance les poches de gaz proches de la surface. Ces méthodes permettent d'avertir les équipes de forage de la présence éventuelle de zones dangereuses avant que le trépan ne les atteigne.

Les systèmes de surveillance électronique jouent également un rôle essentiel. Des détecteurs de vapeurs d'hydrocarbures, de fumée, de chaleur ou de gaz toxiques surveillent en permanence l'ensemble des installations. Lorsqu'une anomalie est détectée, ces systèmes peuvent déclencher automatiquement la fermeture des vannes, l'arrêt des pompes, l'isolement de certaines zones et parfois même l'évacuation du personnel.

Les plates-formes sont aussi équipées de moyens d'évacuation d'urgence, comme des canots de sauvetage, des radeaux gonflables, des hélicoptères de secours et des systèmes de lutte contre l'incendie. Des exercices réguliers sont organisés afin que les équipages sachent comment réagir rapidement en cas d'accident.

Malgré ces nombreuses mesures de prévention, les accidents offshore restent parfois très graves en raison de l'isolement des installations, de la difficulté des secours et de la violence des conditions météorologiques en mer.