BR0316037B1 - Método de fabricação de um tubo ascendente compósito com um conjunto de revestimento - Google Patents

Description

“MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM TUBO ASCENDENTE COMPÓSITO COM UM CONJUNTO DE REVESTIMENTO” REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS CORRELATOS

Esta invenção está relacionada àquela do pedido de patente de norte-americano de número de série 10/288.709, intitulado “Replaceable Liner for Metal Lined Composite Tubos ascendentes in Offshore Applications”.

CAMPO TÉCNICO A presente invenção refere-se a condutos submarinos (tubos ascendentes) de compósito revestidos de metal e métodos de fabricar conjuntos de condutos submarinos deste tipo. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a uma seção de tubo ascendente compósito revestida com metal apresentando uma interface metal/compósito (MCI) tendo uma pluralidade de camadas de envoltório compósito estruturais ligadas a um conjunto de revestimento metálico usando ajustes de travas de retenção.

Mais particularmente ainda, a presente invenção refere-se a um método de fabricação de uma seção de tubo ascendente compósito com um conjunto de revestimento, e, a um método de fabricação de um tubo ascendente compósito com um conjunto de revestimento.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Quando a exploração e produção de óleo e gás fora-da-costa passou a ser feita em águas mais profundas, tomou-se cada vez mais importante reduzir peso, diminuir custos e aumentar a confiabilidade de sistemas sensíveis à profundidade de água, como tubos submarinos (tubos ascendentes) e similares. O termo tubo ascendente descreve, de modo geral, os diferentes tipos de tubulações discretas que se estendem do leito do mar em direção à superfície da água. Como exemplo apenas, estes condutos podem ser usados como tubos ascendentes de perfuração, tubos ascendentes de produção, tubos ascendentes de recuperação de poço, tubos ascendentes com catenária, tubulação de produção, linhas de ataque e descarga e linhas de retomo de lama. Tubos ascendentes convencionais são, tipicamente, feitos de várias ligas metálicas, como titânio ou aço. Mais recentemente, porém, a indústria de óleo e gás tem considerado uma variedade de materiais alternativos e técnicas de fabricação de tubos ascendentes, incluindo o uso de materiais compósitos.

Materiais compósitos oferecem um conjunto exclusivo de propriedades físicas, incluindo elevadas resistência e rigidez específicas, resistência à corrosão, alto isolamento termal, amortecimento de vibrações e excelente desempenho de fadiga. Pela utilização destas e outras características físicas inerentes de materiais compósitos, acredita-se que tubos ascendentes de compósito possam ser usados para diminuir custos de sistema e aumentar a confiabilidade de tubos ascendentes usados em aplicações em águas profimdas;Embora tenha havido um esforço significativo na última década para facilitar e aumentar o uso geral de compósitos em aplicações fora-da- costa, a aceitação de materiais compósitos por operadores fora-da-costa continua a ser um processo relativamente lento e gradual. Progresso razoavelmente bom foi feito na expansão do uso de compósitos para componentes de superfície, como vasos, tubulação e grades. Alguns componentes avançados, como garrafas acumuladoras de alta de pressão de tubos ascendentes têm sido usadas com sucesso no campo. Entretanto, em vista do peso reduzido, maior tempo de vida útil, menor custo e outras capacidades possíveis, tubos ascendentes de compósitos são particularmente atrativos para operações de perfuração e produção em águas profundas.

Tubos ascendentes de compósito são geralmente construídos de uma série de juntas ou seções, cada uma tendo um conjunto de revestimento metálico interno e uma quantidade de camadas estruturais de envoltório compósitas que envolvem o conjunto de revestimento metálico.

Tipicamente, um conjunto de revestimento metálico compreende um revestimento metálico tubular fino, normalmente de titânio ou aço, coaxialmente preso a um conjunto de conector de metal. O conjunto conector inclui tanto uma interface de metal/compósito (MCI) como um anel de transição. O revestimento metálico é preso à MCI e ao conjunto conector através do anel de transição. O anel de transição pode ser usinado como uma parte integral do conjunto conector ou feito separadamente e depois soldado ao conjunto conector. O conjunto conector é uma interface padronizada ao final de cada seção de tubo ascendente que facilita a ligação de uma seção de tubo ascendente à seguinte, em série, pelo uso de flanges, prendedores rosqueados ou similares. O revestimento metálico e os conjuntos conectores em cada extremidade são, depois, normalmente envolvidos dentro de uma dobra de cisalhamento elastomérica, seguido de um reforço de envoltório compósito para formar uma seção de tubo ascendente compósito. A seção de tubo ascendente compósito é, então, aquecida para curar a dobra de cisalhamento elastomérica e o envoltório compósito. A dobra de cisalhamento elastomérica permite uma pequena quantidade de movimentação relativa entre o conjunto de revestimento metálico e o envoltório compósito, para acomodar diferenças de expansão termal e módulo de elasticidade. Uma jaqueta elastomérica externa e um envoltório compósito adicional também podem ser providos sobre a seção de tubo ascendente compósito e termalmente curados para prover proteção adicional contra impacto e resistência à abrasão em uma tentativa de limitar danos externos à seção de tubo ascendente compósito.

Na aplicação, o conjunto de revestimento metálico funciona para impedir vazamento devido às características inerentes de fissuramento do próprio material de compósito. Com o tempo, a matriz no material de compósito tende a desenvolver microOfissuras a pressões menores do que aquelas nas quais as próprias fibras do compósito falham. O microfissuramento da matriz é devido às tensões termais induzidas pelo ciclo de cura e às tensões mecânicas induzidas durante o teste de pressão de aceitação de loja da seção de tubo ascendente compósito durante o processo de fabricação. Desse modo, embora o conjunto de revestimento metálico não proveja uma grande quantidade de resistência mecânica ap tubo ascendente, ele funciona para assegurar a impermeabilidade a fluido do tubo ascendente compósito e impedir o vazamento sob condições de fissuramento da matriz que são inevitáveis. O envoltório compósito é preso ao conjunto de revestimento metálico através da interface metal/compósito (MCI). Uma MCI de trava de retenção pode ser usada para travar mecanicamente um número de dobras helicoidais de compósito (axiais) em uma série de ranhuras anulares com diversas dobras em gancho (circunferenciais) do compósito, forçando as dobras helicoidais para baixo, para as ranhuras. Conseqüentemente, há a necessidade de um tubo ascendente compósito revestido de metal que possa oferecer os benefícios de alta resistência e peso reduzido, que tenha sido projetado para prover maior confiabilidade no campo pelo uso de uma MCI de trava de retenção que assegure que o material de compósito permaneça firmemente aderido ao conjunto de revestimento metálico por todo o tempo de vida útil do tubo ascendente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção provê uma seção de tubo ascendente compósito revestida com metal para uso em aplicações fora-da-costa, apresentando uma MCI de trava de retenção para prender uma pluralidade de camadas estruturais de envoltório compósitas ao redor do conjunto de revestimento metálico. Acredita-se que um tubo ascendente compósito revestido com metal construído de seções de acordo com a presente invenção ofereça resistência fantástica a características de peso, durabilidade e resistência a vazamento e proveja um tempo de vida útil comparável a dos tubos ascendentes existentes de titânio e aço usados em aplicações fora-da- costa.

De acordo com a presente invenção, um conjunto de revestimento metálico da seção de tubo ascendente compósito será provido de uma interface (MCI) de metal/compósito de trava de retenção em cada extremidade. Esta MCI de trava de retenção pode ser incorporada ao conjunto conector que é soldado ou preso a um revestimento metálico comercialmente disponível através de um anel de transição. Cada trava de retenção é formada de pelo menos uma ranhura ou canal anular feito na superfície externa do conjunto de revestimento metálico. Como será discutido aqui, estas ranhuras de retenção anulares podem apresentar diversas geometrias e podem ser arranjadas adjacentes uma a outra para formar uma trava de retenção tendo 2 a 8 ranhuras para assegurar capacidade adequada de transferência de carga entre o envoltório compósito e o conjunto de revestimento metálico. A seção de tubo ascendente compósito revestida com metal da presente aplicação compreende tipicamente um conjunto de revestimento metálico tendo uma MCI de trava de retenção, uma dobra de cisalhamento elastomérica disposta ao redor do conjunto de revestimento metálico, e uma pluralidade de camadas estruturais de envoltório compósitas que são dispostas ao redor da dobra de cisalhamento e mantida no lugar pela MCI de trava de retenção. O conjunto de revestimento metálico é formado de um revestimento metálico conforme conhecido na técnica, como revestimento de aço carbono, aço inox ou titânio, e é normalmente ajustado em cada extremidade com um conjunto conector através de um anel de transição. Os conjuntos conectores têm uma série de ranhuras anulares que são cortadas na superfície externa do conjunto e dispostas lado-a-lado para formar uma trava de retenção. Os anéis de transição são soldados aos conjuntos conectores para permitir o uso de diferentes materiais para o revestimento e o conjunto conector. Os conjuntos conectores permitem que seções de tubo ascendente compósito sejam casadas entre si, em série, usando flanges, prendedores rosqueados ou similares. A dobra de cisalhamento elastomérica é formada, normalmente, de um material como borracha, como borracha de acrilonitrila butadieno hidrogenada (HNBR),e cobre completamente o revestimento e os conjuntos conectores do conjunto de revestimento metálico. Esta dobra de cisalhamento é, então, adicionalmente presa no lugar por pelo menos uma camada de enrolamentos em gancho de fibra de compósito que são colocados a um ângulo quase perpendicular ao eixo longitudinal do conjunto de revestimento metálico.

Apenas como exemplo, enrolamentos em gancho sugeridos podem ser enrolados a mais ou menos 80° em relação ao eixo longitudinal do conjunto.

Uma quantidade de camadas de envoltório compósito estruturais são, então, presas ao redor do conjunto para criar uma seção de tubo ascendente compósito de acordo com a presente invenção. Estas camadas de envoltório podem ser feitas de enrolamentos de fibras helicoidais e em gancho altemadamente para formar um material compósito.

Altemativamente, uma quantidade dos enrolamentos helicoidais pode ser suplementada, substituída ou eliminada por lâminas de material compósito pré-impregnadas que são então presas no lugar pelos enrolamentos em gancho. Os enrolamentos helicoidais ou camadas pré-impregnadas se destinam a receber o carregamento axial da seção de tubo ascendente compósito e prover resistência à tração na maioria das aplicações. Os enrolamentos em gancho servem para prover resistência a tensões em gancho induzidas por pressão interna e, de pelo menos igual importância, também servem para prender os enrolamentos helicoidais ou dobras pré-impregnadas e assegurar que elas não se tomem destacadas ou deslizem em relação ao conjunto de revestimento metálico. A MCI de trava de retenção compreende pelo menos um e, normalmente, cerca de 2 a 8 ranhuras ou retenções que são cortadas ao redor da circunferência do conjunto de revestimento metálico, próximo a cada extremidade. Apenas como exemplo, um conjunto de revestimento metálico preparado envolto dentro de uma dobra de cisalhamento pode ser enrolado com uma dobra helicoidal a mais ou menos 10° em relação ao eixo longitudinal da seção de tubo ascendente. Um enrolamento em gancho substancialmente perpendicular pode, então, ser colocado ao redor do enrolamento helicoidal a mais ou menos 80°. O enrolamento helicoidal une o enrolamento helicoidal e força o mesmo para baixo, para a ranhura da trava de retenção. Em um modo de realização da presente invenção, camadas ou dobras alternadas helicoidais e em gancho podem ser feitas em pares e agrupadas em conjuntos de três para cada ranhura da MCI de trava de retenção. Desse modo, apenas como exemplo, uma seção de tubo ascendente compósito construída de acordo com a presente invenção pode compreender travas de retenção tendo seis ranhuras em cada extremidade do conjunto de revestimento metálico e as camadas de compósito podem ser enroladas de modo que as camadas alternadas helicoidais e em gancho sejam presas ao primeiro conjunto de seis camadas retido pela primeira ranhura tava de retenção, mais próxima ao meio da seção de tubo ascendente compósito, o conjunto seguinte de seis camadas retido pela segunda ranhura da trava de retenção, e assim por diante, até que o conjunto final de seis camadas seja retido pela sexta ranhura da tava de retenção e todas as 36 camadas (18 pares) estejam firmemente presas ao conjunto de revestimento metálico para formar uma seção de tubo ascendente compósito. Como notado anteriormente, é possível também substituir lâminas de material compósito parcialmente curado pelo enrolamento do revestimento a 0o parcialmente curado no lugar das camadas helicoidais tendo mais ou menos enrolamentos de 10°. Este parcialmente curado 0o suporta o carregamento radial da seção de tubo ascendente compósito, e é preso no lugar pelos enrolamentos em gancho, muito similarmente aos enrolamentos helicoidais em que o parcialmente curado é usado como substituto.

Deve ser entendido que a MCI de trava de retenção pode ter um número de ranhuras ou retenções enquanto houver pelo menos uma próximo a cada extremidade do sem. O número de retenções e o número total de camadas de envoltório compósito estruturas podem variar, dependendo das condições reais de carregamento da seção de tubo ascendente compósito e de seu uso final previsto. Similarmente, os ângulos de enrolamento das camadas de envoltório helicoidais e em gancho podem variar e o padrão pelo qual eles são depositados também pode ser mudado, de modo que um número de enrolamentos helicoidais pode ser unido no lugar por uma simples camada em gancho, em vez de sempre alternar de helicoidal para em gancho em pares.

Novamente, o número de enrolamentos em gancho necessário precisa ser apenas o suficiente para suportar as tensões de gancho aplicadas à seção de tubo ascendente compósito e prender as camadas de suporte de carga helicoidal ou axial ao redor do conjunto de revestimento metálico. Uma vez que camadas de envoltório compósito estruturais tenham sido enroladas ou depositadas ao redor do conjunto de revestimento metálico, é necessário aplicar calor para curar o material compósito para completar a construção da seção de tubo ascendente compósito. É possível também envolver adicionalmente toda esta seção de tubo ascendente compósito dentro de uma camada elastomérica adicional, como HNBR, e aplicar envoltórios de compósito não-estuturais para agir com um jaqueta externa e prover proteção adicional contra danos de impacto e abrasão que podem ocorrer quando a seção de tubo ascendente é posta em uso no campo.

Está ainda abrangido no escopo da presente invenção prover um método de fazer seções de tubo ascendente compósito do tipo apresentado e descrito aqui. Isto pode ser feito pela provisão de um conjunto de revestimento metálico tendo uma MCI de trava de retenção e envolvendo este conjunto de revestimento metálico dentro de uma dobra de cisalhamento elastomérica. O conjunto de revestimento metálico pode, então, ser montado a um mandril para suportar o conjunto de revestimento ou contrabalançado para facilitar o processo de enrolamento da fibra de compósito por impedir que deformação excessiva por dobramento ou por torsão no revestimento metálico fino devido ao peso do compósito não-curado. O sistema de suporte tem também que permitir rotação livre do conjunto de revestimento durante o enrolamento de filamento e processo de cura para impedir folga no laminado de compósito enquanto ainda não-curado. Como notado anteriormente, as fibras de compósito são, tipicamente, aplicadas em pares alternados de dobras helicoidais e em gancho, que podem ser reunidas em conjuntos de três e presas nas ranhuras de retenção da MCI, iniciando com as ranhuras mais próximas ao meio da seção de tubo ascendente e trabalhando para fora, em direção às extremidades da seção de tubo ascendente. Como resultado, os primeiros três pares de camadas de compósito são envoltas pelo segundo dos três pares de camadas de compósito, e assim por diante, até que o último dos três pares envolve tidos os anteriores. Desse modo, é possível aplicar uma grande quantidade de pressão, particularmente às camadas mais internas do envoltório compósito e mantê-las seguramente no lugar dentro das ranhuras de retenção da MCI. Em seguida às etapas de enrolamento ou de deposição, todo o conjunto de revestimento metálico de envoltório compósito é colocado em um forno e curado. Em seguida, a jaqueta externa elastomérica pode ser aplicada, um enrolamento em gancho adicional pode ser usado para prender ainda mais a jaqueta externa, e dobras e compósito não-estruturais podem ser adicionadas. Finalmente, todo o conjunto é colocado em um forno e curado uma segunda vez para completar a seção de tubo ascendente compósito de acordo com a presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A presente invenção será melhor entendida pela descrição detalhada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais números de referência iguais se referem a parte iguais em cada uma das figuras, e nos quais: A Fig. 1 é uma vista em perfil de esquema simplificado ilustrando o uso de tubos ascendentes em conjunto fora-da-costa de perfuração e produção; A Fig. 2 é uma vista em seção transversal de um conjunto de revestimento metálico para uma seção de tubo ascendente compósito construído de acordo com a presente invenção; A Fig. 3 é um desenho detalhado de uma vista em seção transversal à porção de interface de trava de retenção metal/compósito de uma seção de tubo ascendente compósito revestida de metal construída de acordo com a presente invenção; A Fig. 4 é uma vista em perspectiva de um sistema de contrabalanceamento para suportar o tubo ascendente compósito durante a montagem sem um mandril; e A Fig. 5 é uma vista em perspectiva detalhada de um sistema de contrabalanceamento para suportar o tubo ascendente compósito durante montagem sem um mandril.

DESCRIÇÃO DETALHADA A Fig. 1 é um esquema simplificado de um conjunto convencional de perfuração e produção fora-da-costa (100) que ilustra o contexto da presente invenção. Uma plataforma fora-da-costa (110) suporta um guindaste (120) que é um aparelho convencional para perfurar ou desenvolver um poço e produzir hidrocarbonetos do mesmo. A plataforma fora-da-costa (110), por sua vez, é suportada por pontões (115). Um gabarito submarino (130) é provido sobre o leito do mar (135) e um poço (140) se estende descendentemente do mesmo para o interior da terra.

Um conjunto de tubo ascendente alongado (150) se estende entre o gabarito submarino (130) e a plataforma (110), provendo comunicação fluídica entre os mesmos. O conjunto de tubo ascendente (150) também compreende, geralmente, um conector de ligação (160) próximo ao gabarito submarino (130) e um número se seções de tubo ascendente (170) que se estende entre a plataforma (110) e o gabarito submarino ( 130) e conectadas ao mesmo por uma junta afunilada ou flexível (180) e uma seção telescópica (190). A junta flexível (180) e a seção telescópica (190) são projetadas para acomodar a movimentação da plataforma (110) em relação ao gabarito submarino (130) e o poço (140). As juntas ou seções de tubo ascendente compósito (170) que compreendem o conjunto de tubo ascendente (150) são presas coaxialmente juntas por prendedores rosqueados ou outros dispositivos de fixação mecânica, como conhecido na técnica. Cada seção de tubo ascendente (170) tem que acomodar a pressão do fluido ou gás dentro da seção, a carga de tração que é causada pela suspensão de seções de tubo ascendente adicionais abaixo dessa seção, e as cargas de tração e movimentos de dobramento que são impostos pelo movimento relativo da plataforma (110) em relação ao gabarito submarino (130).

Em uma seção de tubo ascendente compósito de acordo com a presente invenção, conectores metálicos ao presos coaxialmente a revestimento metálico para formar um conjunto de revestimento metálico que é, subseqüentemente, envolto por uma dobra de cisalhamento elastomérica, um número de camadas de envoltório compósito estruturais, e uma jaqueta elastomérica externa provendo resistência adicional contra impacto e abrasão. O envoltório compósito compreende ainda um número de camadas individuais que são aplicadas ao redor do conjunto de revestimento metálico a vários ângulos em relação ao eixo longitudinal da seção de tubo ascendente compósito. Cada uma dessas camadas ou dobras é enrolada ou aplicada uma de cada vez e consiste de um número de fibras de pequeno diâmetro (por exemplo, de cerca de 6 a cerca de 10 micra) tendo alta resistência e módulo específicos que são embutidas em um material de matriz de polímero. O material de matriz de polímero, normalmente alguma forma de resina ou cola, tem interfaces unidas que capturam as características físicas desejáveis de ambas as fibras embutidas e a própria matriz. Resumidamente, as fibras portam as cargas principais que podem ser aplicadas ao material compósito, enquanto a matriz mantém as fibras na orientação preferida. A matriz também atua para transferir cargas através de grande número de fibras e proteger as fibras contra o ambiente circundante. As propriedades do material de compósito resultante dependem de ambos os componentes principais, as fibras e a matriz polimérica. Um número de matrizes poliméricas termocuráveis ou termoplásticas conhecidas pode ser usado para produzir a seção de tubo ascendente compósito de acordo com a presente invenção. Para a seção de tubo ascendente compósito da presente invenção, materiais de matriz preferidos podem incluir vários ésteres vinílicos e epoxis com temperaturas de transição de vidro acima de cerca de 132°C. Como exemplo, uma resina preferida é EPON 862 (disponível por Resolution Performance Products of Houston, TX) epóxi curado de amina formulado com um agente adicional endurecedor e de cura. Embora não seja um assunto estrutural, os componentes da resina são, de preferência, selecionados para evitar compostos carcinogênicos suspeitos, particularmente agentes de cura MDA.

Um número de tipos de fibras pode ser usado para formar camadas de envoltório adequadas sobre a seção de tubo ascendente compósito. Fibras são, normalmente, classificadas de acordo com o módulo de tração medido em milhões de libras por polegada quadrada (msi). Um tipo de fibra preferido é uma fibra de carbono poliacrilinitrila PAN) de baixo custo, módulo médio (cerca de 32 msi (220,8 GPa) a cerca de 44 msi (303,6 GPa), e de preferência, 35 msi (241,5 GPa)). Diversas fibras aceitáveis deste tipo são HEXEL AS4D-GP, disponíveis por Hexel Corp. of Stamford, CT;

GRAFIL 34-700, disponível de Grafil of Sacramento, CA; e TORAY T700SC (LMS-R10.544), disponível por Toray of Tokyo, Japão. Um outro tipo de fibra preferido é uma fibra de carbono PAN de módulo elevado (cerca de 55 msi (379,5 GPa) a cerca de 80 msi (552 GPa), e de preferência, 55 msi (379,5 GPa)) tanto em forma de estopa como tapetes parcialmente curados uniaxiais.

Classes aceitáveis desta fibra incluem PYROFIL 56-700, disponível por Grafil; e TORAY M40J, disponível por Toray. Altemativamente, um híbrido de fibras de vidro e carbono incorporadas no material de matriz pode prover também resultados aceitáveis. Uma forma preferida de fibra de vidro é comumente conhecida como fibra de E-vidro, disponível comercialmente como PPG1062-430, disponível por PPG of Pittsburgh, PA; e OWENS- CORNING 30-158B-450, disponível por Owens-Coming of Toledo, OH. A Fig. 2 mostra um conjunto de revestimento metálico (200) adequado pata fabricar uma seção de tubo ascendente compósito que compreende um revestimento tubular (210) e conjuntos conectores (220) ligados a extremidades opostas. O revestimento tubular (210) pode ser formado de titânio, aço, ou outras ligas metálicas adequadas para aplicações fora-da-costa de produção de óleo e gás. Em alguns casos, pode ser desejável incorporar resistência adicional à corrosão pelo uso de um revestimento de aço inox (210).

Ainda com referência à Fig. 2, de acordo com a presente invenção, o conjunto conector (220) da seção de tubo ascendente compósito apresenta uma MCI de trava de retenção (240) e o revestimento (210). A MCI (240) compreende ainda um número de ranhuras de retenção (250) para prender um envoltório compósito estrutural, não mostrado aqui. Conforme mostrado aqui, o conector mecânico (270) é normalmente formado de titânio, aço ou similar e é soldado ao conjunto conector (220) para prover um número de acessórios para prender mecanicamente as seções de tubo ascendente compósito juntas, em série, para formar um conjunto de tubo ascendente entre o leito do mar e a plataforma de produção. Deve ser entendido que embora o conjunto de revestimento metálico (200) mostrado na Fig. 2 seja formado de pelo menos sete componentes separados (ou seja, um revestimento (210), dois anéis de transição (260), duas MCIs (240), e dois conectores mecânicos (270)) que são, subseqüentemente, soldados juntos para formar um único conjunto (200), seria possível fabricar um conjunto de revestimento metálico a partir de três seções tubulares (ou seja, um revestimento (210) e dois conjuntos conectores (220), cada um incluindo um anel de transição, uma MCI e um flange usinado de uma única peça de tubo) para criar um conjunto de revestimento metálico (200). A Fig. 3 mostra um recorte parcial detalhado de uma seção de tubo ascendente compósito (400) construída de acordo com a presente invenção. Note que cada conjunto conector (220) compreende adicionalmente uma MCI de trava de retenção (240) tendo uma pluralidade de ranhuras externas (250) que estão mostradas aqui. Embora uma série de seis ranhuras (250) esteja mostrada disposta lado-a-lado, o número de ranhuras pode variar conforme apropriado para o uso final pretendido da seção de tubo ascendente (400). Adicionalmente, as ranhuras de retenção (250) podem apresentar várias configurações diferentes pelo fato delas poderem ser cortadas a cerca de 90° em relação à superfície do conjunto de revestimento metálico (200) e poderem ter paredes laterais cortadas a ângulos retos para formar um canal quadrado ou, altemativamente, poderem ter paredes laterais inclinadas para dentro, para formar uma ranhura trapezoidal. O ângulo de parede lateral das ranhuras varia, normalmente, de cerca de 30 a cerca de 60 graus e pode diferir sobre paredes laterais opostas. As ranhuras de retenção (250) também podem ser cortadas a profundidades diferentes para criar um arranjo escalonado, conforme mostrado. A despeito da geometria, cada ranhura (250) atua como junta de intertravamento mecânico que é fabricada na superfície externa da MCI (240).

Uma dobra de cisalhamento elastomérica (300) em um estado não-curado é tipicamente aplicada à superfície externa do conjunto de revestimento metálico (200) da Fig. 2 para prover capacidade elevada de esforço cisalhante para acomodar pequenas quantidades de movimentação entre o envoltório compósito (350) e o conjunto de revestimento metálico (200), devido a diferenças no coeficiente de expansão termal e do módulo elástico. Uma dobra de cisalhamento elastomérica preferida (300) é formada de borracha hidrogenada de acrilonitrila butadieno (HNBR) e é unida pelo uso de primer CHEMLOK 205 e adesivo CHEMLOK 238 ao revestimento e parte dos conjuntos conectores (220) fora da MCI de trava de retenção (240). A dobra de cisalhamento elastomérica 300 pode ter qualquer espessura adequada, e a espessura pode variar em regiões particulares do conjunto de revestimento metálico (220) para obter características desejadas. Apenas como exemplo, a espessura de uma dobra de cisalhamento elastomérica preferida (300) pode ser de cerca de 0,228cm sobre todo o comprimento da porção de revestimento (210) do conjunto de revestimento metálico (200), enquanto a espessura da dobra de cisalhamento (300) pode ser reduzida para cerca de 0,0254cm sobre as ranhuras (250) da MCI de trava de retenção (240). A menor espessura da dobra de cisalhamento (300) nas ranhuras (250) permite as superfícies de apoio na junta de trava de retenção se moverem sem dano ao envoltório compósito estrutural (350) e melhorar o desempenho do apoio da seção de tubo ascendente compósito (400). O envoltório compósito estrutural (350) é um tubo de compósito compreendendo fibras de carbono, de vidro ou outras embutidas em uma matriz de epóxi, como previamente descrito aqui, que é fabricado sobre o conjunto de revestimento metálico (200) usando camadas de construção via um processo de enrolamento de filamento. Geralmente, o envoltório compósito (350) é enrolado sobre a dobra de cisalhamento elastomérica (300) aplicada ao conjunto de revestimento metálico (200), como descrito acima. O envoltório compósito (350) inclui camadas helicoidais que se estendem geralmente em uma direção axial ao longo do conjunto de revestimento metálico (200) de extremidade a extremidade e camas em gancho que são aplicadas substancialmente perpendicular às camadas helicoidais ao redor da circunferência do conjunto de revestimento metálico (200). As camadas de fibras helicoidais do compósito e a dobra de cisalhamento elastomérica (300) são compactadas nas ranhuras de retenção (250) da MCI (240) e são mantidas seguramente no lugar pelos enrolamentos em gancho do envoltório compósito (350). O processo de enrolamento de filamento para fabricar o envoltório compósito (350) sobre o conjunto de revestimento metálico (200) é geralmente descrito como a seguir. O envoltório compósito (350) compreende camadas alternadas de fibra helicoidais e em gancho, incluindo uma camada em gancho de consolidação inicial que é enrolada sobre a dobra de cisalhamento elastomérica (300). Após enrolar cada uma das camadas helicoidais de fibra e matriz, a camada helicoidal é compactada na ranhura de retenção (250) com enrolamentos em gancho. Um número de camadas helicoidais subseqüentes também é compactado em cada uma das ranhuras de retenção (250). Camadas de reforço localizadas de fibra e matriz, de preferência, um material parcialmente curado, também podem ser dobradas sobre a MCI (240) e compactadas em cada uma das ranhuras de retenção (250) para aumentar a carga de cisalhamento através das ranhuras (250) e aumentar a resistência da MCI (240). Apenas como exemplo, a espessura das camadas individuais de fibra helicoidais e em gancho pode ter cerca de 0,03 8cm a cerca de 0,127cm. Uma camada final de enrolamentos em gancho é enrolada sobre todo o comprimento do conjunto de revestimento metálico (200), incluindo MCI (240), completando, desse modo, o enrolamento de filamento de envoltório compósito (350). Outros processos de enrolamento de filamento reconhecidos na técnica podem ser adequados para fabricar a seção de tubo ascendente compósito da presente invenção. Várias características e outras propriedades mecânicas da seção de tubo ascendente compósito (400) podem ser ajustadas pela variação do ângulo de enrolamento do envoltório compósito (350). É possível fazer seções de tubo ascendente úteis tendo dobras de suporte de carga helicoidais ou axiais variando de cerca de 0o e cerca de mais ou menos 20° em relação ao eixo longitudinal da seção de tubo ascendente. Do mesmo modo, as dobras em gancho devem, geralmente, ser depositadas próximo à perpendicular à dobra helicoidal subjacente e variar de cerca de 90° a cerca de mais ou menos 70° em relação ao eixo longitudinal da seção de tubo ascendente (400).

Usando técnicas convencionais de enrolamento de fibra, porém, é preferível ter um ângulo de enrolamento helicoidal de pelo menos cerca de mais ou menos 5o e correspondente ângulo de enrolamento em gancho de não menos do que mais ou menos 85°. No lugar de uma ou mais camadas helicoidais ou em gancho, dobras pré-impregnadas de 0o podem ser depositadas a 0o e 90°, mas estas dobras exigiríam enrolamentos em gancho adicionais para comprimir o parcialmente curado na MCI (240) e assegurar que ela se conforme com o conjunto de revestimento metálico (210).

Apenas como exemplo, um modo de realização preferido da presente invenção é uma seção de tubo ascendente compósito tendo 6 ranhuras de retenção de MCI em cada extremidade e total de 36 camadas de enrolamentos estruturais ao redor do conjunto de revestimento metálico. Para esta seção de tubo ascendente, um conjunto de revestimento de titânio Classe 9 é preparado com uma dobra de cisalhamento de HNBR e um enrolamento em gancho de 55 msi (379,5 GPa) para formar uma camada em gancho de consolidação inicial através de todo o comprimento. Uma camada helicoidal de fibra de carbono (33 msi (227,7 GPa)) é, então, aplicada a um ângulo de enrolamento de 10° seguida por uma camada em gancho híbrida (55 msi (379,5 GPa)) a -80°. O par seguinte de dobras estruturais é aplicado a -10° e 80°, o par seguinte é aplicado a 190° e -80°, e assim por diante. Para cada três pares de enrolamentos, uma nova ranhura de retenção de MCI é iniciada, trabalhando da ranhura mais interna, mais próximo ao meio da seção de tubo ascendente, para fora, até que todas as seis retenções sejam carregadas.

Opcionalmente, é possível reforçar adicionalmente a região de trava de retenção (240) e espalhar as cargas aplicadas mais uniformemente através de todas as ranhuras de retenção (250) pela incorporação adicional de uma camada pré-impregnada de carbono de 0o (55 msi (379,5 GPa)) após as segunda e terceira camadas de enrolamento helicoidal para cada ranhura de retenção (250). Seções de tubo ascendente similares (400) podem ser produzidas tendo pelo menos 1 ranhura de retenção (250) em cada extremidade da seção de tubo ascendente (400) com cerca de 1 ou mais pares de enrolamentos por ranhura (250). Pode ser também desejável ou custo- efetivo aplicar dois ou mais enrolamentos helicoidais ao revestimento (200) antes de cada enrolamento em gancho. Obviamente, um número quase infinito de variações de enrolamento pode ser usado, limitado apenas pela imaginação do projetista e os requisitos de carregamento estrutural de uma aplicação particular.

Após o enrolamento de filamento ter sido completado, o conjunto enrolado é transferido para um forno, não mostrado, ou elementos de aquecimento são colocados ao redor do conjunto de compósito onde calor é aplicado para curar a matriz termocurável do envoltório compósito (350) e a dobra de cisalhamento elastomérica (300). Após a cura, uma jaqueta externa (450) de material elastomérico não-curado, como HNBR, pode ser aplicada por todo o comprimento da seção de tubo ascendente compósito resultante (400) para impedir migração de água do mar para a parede de compósito e através de sua interface com a MCI (240). A jaqueta elastomérica externa (450) provê proteção adicional a impacto, mitigando possíveis danos causados por ferramentas caídas ou o manuseio incorreto da seção de tubo ascendente compósito (400). Uma camada de compósito adicional (500) de E-vidro ou outras fibras de reforço, como carbono em uma matriz polimérica pode ser enrolada por filamento sobre a jaqueta elastomérica externa (450) para compactar ainda mais a jaqueta (450) durante a cura e prover proteção adicional contra arraste. A seção de tubo ascendente compósito (400) é, então, aquecida uma segunda vez até uma temperatura adequada para curar a jaqueta elastomérica externa (450) e envoltório compósito (500).

Na fabricação de uma seção de tubo ascendente compósito, o conjunto de revestimento metálico tem que ser mantido em uma posição horizontal, mas podendo girar ao redor de seu eixo para facilitar o enrolamento de fibra. Naturalmente, as camadas de envoltório compósito têm uma quantidade significativa de peso, particularmente durante enrolamento de fibra onde o material de resina de matriz ainda está molhado. O envoltório compósito fará com que um conjunto de revestimento metálico não-suportado flexione ou fique arqueado no meio durante a fabricação. Isto resultaria em uma seção de tubo ascendente compósito muito pobremente construída que certamente seria muito curva para uso. Tubos ascendentes de compósito são geralmente construídos usando um mandril de aço que é inserido através do conjunto de tubo ascendente para suportar o peso do envoltório compósito durante o processo de enrolamento de fibra. Após o envoltório compósito ter curado, o mandril é removido e a seção de tubo ascendente está pronta para uso. Entretanto, devido ao revestimento metálico ser, normalmente, muito fino, normalmente com 2-4 milímetros de espessura, e devido ao envoltório compósito tender a arquear a seção de tubo ascendente no meio, o processo de remover o mandril de aço da seção de tubo ascendente completada pode cortar ou endentar o revestimento metálico. Em alguns casos, o revestimento metálico é tão danificado que uma nova seção de tubo ascendente compósito tem que ser inteiramente raspada. Conseqüentemente, um método de fazer seções de tubo ascendente compósito sem inserir um mandril seria desejável e podería aumentar significativamente a eficiência de fabricação pela redução de partes raspadas.

Com referência agora à Fig. 4, é mostrada uma vista em perspectiva de um sistema de contrapeso para uso na montagem de tubos ascendentes de compósito sem um mandril. O tubo ascendente compósito é construído segurando-se um conjunto de revestimento metálico em uma posição horizontal e, depois, enrolando fibra ao redor da superfície externa.

Como mostrado aqui, um conjunto de revestimento metálico (200) é mantido em uma posição horizontal entre dois suportes (600) tendo um número de rolos (610), que permite o conjunto de revestimento (200) girar livremente ao redor de seu eixo longitudinal. O conjunto de revestimento (200) é ainda preso por dois mandris ou plugues curtos (620) inseridos no furo do conjunto de revestimento (200) em extremidades opostas. Os plugues (620) têm um diâmetro externo ligeiramente menor do que o diâmetro interno do conjunto de revestimento (200) e são projetados para se estenderem para o conjunto conector (220), mas não para o próprio revestimento (210). Os plugues (620) também podem se estender para fora do conjunto de revestimento (200) para criar alavancamento pela interação com os rolos (610) dos suportes (600).

Durante o processo de fabricação, o conjunto de revestimento (200) é ajustado com um plugue (620) em cada extremidade e colocado nos suportes (600). Os rolos são, então, grampeados no lugar ao redor do conjunto conector (220) e a porção estendida dos plugues (620), para assegurar que apenas a movimentação permitida seja ao redor do eixo longitudinal. Os suportes (600) são ajustados a um distanciamento que é ligeiramente menor do que o comprimento total relaxado do conjunto de revestimento (200).

Desse modo, o conjunto de revestimento (200) seria ligeiramente arqueado para cima no meio ates do enrolamento do envoltório compósito, não mostrado. Os suportes têm que ser suficientemente pesados para manter o revestimento em sua condição arqueada. Quando material compósito é aplicado ao conjunto de revestimento (200), o peso do compósito exerce força sobre o conjunto de revestimento (200) e faz com que ele fique reto ou se achate no meio. O conjunto de revestimento (200) tem que ser conferido durante o enrolamento de fibra para assegurar que não seja possível flambar.

Os suportes (600) podem ser empurrados ligeiramente para mais perto um do outro durante este processo, caso necessário.

Como visto melhor na Fig. 5, um desenho em vista em perspectiva do sistema de contrapeso ilustra a maneira pela qual um tubo ascendente compósito é mantido horizontalmente e girado para facilitar o enrolamento de fibra. Como mostrado aqui, o suporte (600) é construído de placas de aço ou ângulos, mas podería ser fabricado de outros materiais e depois pesado para evitar movimentação durante o enrolamento de fibra. É mostrado também que um primeiro par de rolos (610) fica em contato com o conjunto conector (220) e que um segundo par de rolos fique em contato com o plugue (620). Como notado anteriormente, os rolos (610) mantêm o conjunto de revestimento (200) seguramente no lugar para impedir movimentação lateral, mas permitindo que o conjunto de revestimento (200) gire ao redor de seu eixo longitudinal. Naturalmente, embora dois pares de rolos (610) estejam mostrados aqui para suportar o conjunto de revestimento (200), deve ser entendido que uma variedade de arranjos de rolos pode ser usada e o número exato ou posicionamento pode ser alterado enquanto o conjunto de revestimento (200) não seja livre de mover lateralmente, seja livre para girar ao redor de seu eixo, e seja arqueado ligeiramente para cima no meio antes do enrolamento de fibra. O uso de tubos ascendentes compósitos revestidos de metal deve prover benefícios significativos, uma vez que estes tubos ascendentes são produzidos em escala comercial. Investigações preliminares e análise de custo revelaram que tubos ascendentes de compósito, construídos de acordo com a presente invenção, oferecem peso reduzido, melhor amortecimento de vibração, melhor isolamento termal, e substancial economia de custos. Quanto ao peso, para uma seção típica de 55,88cm de diâmetro, a seção de tubo ascendente compósito revestida de metal deve ter cerca de 2/3 do peso de uma seção de tubo ascendente de titânio e cerca de Vi do peso de uma seção de tubo ascendente de aço. Com respeito à fabricação, a seção de tubo ascendente compósito deve custar cerca de 1-1 Vi vezes o custo de uma seção de tubo ascendente de aço e apenas Vi do custo de uma seção de tubo ascendente de titânio. Embora a seção de tubo ascendente compósito custe um pouco mais do a seção de tubo ascendente de aço, é importante notar que ela custa, normalmente, cerca de $4-7 por 0,453kg de peso de topo sobre uma instalação fora-da-costa. Pela diminuição do peso da seção de tubo ascendente para Vi daquele do aço, o custo de fabricação adicional será mais do que compensado. Além disso, o peso reduzido da seção de tubo ascendente compósito tomará mais fácil manusear e exigirá menor esforço para movimentação, reduzindo, desse modo, desgaste e quebra da maquinaria existente na plataforma de perfuração.

Como notado anteriormente, tubos ascendentes de compósitos também oferecem melhor isolamento termal. Isto também é de maior importância quando a profundidade da água aumenta. Muitos tubos ascendentes convencionais requerem aquecimento para manter as viscosidades de fluido desejadas dentro do tubo ascendente. Isto pode ser tanto difícil como algo dispendioso. Como comparação, a condutividade termal de cerca de 0,6Wm-C, um tubo ascendente de aço tem uma condutividade termal de cerca de 50W/m-C, e um tubo ascendente compósito tem uma condutividade termal de cerca de 0,5W/m-C. Como podería ser esperado, o tubo ascendente de aço tem uma condutividade termal muito elevada e transfere calor do interior do tubo ascendente para a água do mar circundante a uma velocidade muito grade. Em contraste, o tubo ascendente compósito quase casa com a condutividade termal da água circundante. Além disso, caso aquecimento seja necessário, elementos de aquecimento poderíam ser incorporados às camadas de envoltório compósito durante a fabricação do tubo ascendente compósito.

Uma outra propriedade de tubos ascendentes de compósito é a melhor característica de amortecimento. Caso exploradas totalmente em tubos ascendentes de perfuração, as características de amortecimento podem reduzir ou eliminar a necessidade de fiadas de chapas comumente usadas para suprimir vibrações induzidas por vórtex. Dados de testes preliminares indicaram que tubos ascendentes de compósito oferecem um amortecimento estrutural que é, aproximadamente, equivalente em valor a amortecimento hidrodinâmico convencional. Adicionalmente, tubos ascendentes de compósito de maior amortecimento podem ser produzidos pela execução sob- medida da estrutura de laminado, ou seja, introduzindo camadas entremeadas para maximizar esta propriedade em particular.

Informação adicional de bastidores com respeito a tubos ascendentes de perfuração de compósito está revelada em cada um dos seguintes artigos que aqui são incorporados pela referência em sua totalidade: Tubos ascendentes de compósito estão prontos para aplicações de campo - tVl Status of Technology, Field Demonstration and Life Cycle Economics, 13 International Deep Offshore Technology Conference (DOT 2001), Rio de Janeiro, Brasil, 17-19 de outubro, 2001; Desafios remanescentes de compósitos avançados para sistemas sensíveis à profundidade de água, j apresentado na 2 Annual Deep Offshore Technology Interferência. Conf., realizada em New Orleans, Louisiana, em 7-9 novembro, 1999; SPE 50.971;

Teste e qualificação de tubo ascendente de produção de compósito, SPE

Production & Facilities, agosto,1998 (pg. 168-178). Estes documentos apresentam uma quantidade considerável e dados de custo econômico para comparação de várias estruturas de compósito para aplicações fora-da-costa em relação àquelas de aço convencionais.

Embora um modo de realização preferido da in tenha sido mostrado e descrito aqui, modificações ai mesmo podem ser feitas por alguém experiente na técnica sem se afastar do espírito e dos ensinamentos da invenção. Os modos de realização aqui descritos servem apenas de exemplos, e não têm a intenção de serem limitativos. Muitas variações, combinações e modificações da invenção aqui revelada são possíveis e estão dentro do escopo da invenção. Conseqüentemente, o escopo de proteção não está limitado pela descrição apresentada acima, mas é definido pelas reivindicações que se seguem, este escopo incluindo toda a equivalência do objeto das reivindicações.

Claims (9)

1. Método de fabricação de um tubo ascendente compósito com um conjunto de revestimento (220), compreendendo as etapas de: manter o conjunto de revestimento (220) em uma posição horizontal entre dois suportes (600); enrolar fibras impregnadas de resina ao redor do conjunto de revestimento (220) para formar um envoltório compósito (350) estrutural; e, posicionar os dois suportes (600) afastados um do outro por uma distância que seja menor do que o comprimento total relaxado do conjunto de revestimento (220), caracterizado pelo fato de compreender ainda encurvar ou arquear o conjunto de revestimento (220) para cima.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de revestimento (220) é mantido na posição horizontal sem a inserção de um mandril para dentro do conjunto de revestimento (220).

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de depositar tiras de material de borracha não-curada para formar uma dobra de cisalhamento elastomérica (300) ao redor do conjunto de revestimento (220) antes do enrolamento com fibras impregnadas de resina.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de aplicar suficiente calor para curar a dobra de cisalhamento elastomérica (300) e o envoltório compósito (350) estrutural.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de compreender ainda as etapas de: depositar tiras de material de borracha não-curada envolvendo completamente o envoltório compósito (350) estrutural em uma jaqueta externa (450); enrolar fibras impregnadas de resina sobre a jaqueta externa (450) para formar uma camada protetora resistente a arraste; e, aplicar suficiente calor para curar a jaqueta externa (450) e a camada protetora resistente a arraste.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de depositar pelo menos uma dobra pré- impregnada quando da formação do envoltório compósito (350) estrutural.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda a etapa de aplicar peso aos dois suportes (600).

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de enrolar fibras impregnadas de resina ao redor do conjunto de revestimento (220) compreende girar o conjunto de revestimento (220) ao redor de um seu eixo longitudinal.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreender ainda a etapa de evitar movimento lateral do conjunto de revestimento (220) enquanto o mesmo gira.