BR102015008863B1 - Estrutura flutuante semissubmersível no mar - Google Patents

Abstract

ESTRUTURA OFFSHORE SEMI-SUMERSÍVEL COM BAIXO DESLOCAMENTO DE CAMADAS DO SOLO Trata-se de uma estrutura semi-submersível com colunas verticais flutuantes e um pontão flutuante. Ao contrário da estrutura semi-submersível típica, na qual os pontões são fixados diretamente entre as colunas, o pontão da invenção circunda as colunas e é disposto fora das colunas. O pontão que circunda as colunas simplifica a construção e a fixação do pontão e das colunas e aperfeiçoa as características de deslocamento de camadas do solo da estrutura.

Description

Campo e Antecedentes da Invenção

[001]A invenção refere-se de maneira geral a estruturas flutuantes no mar utilizadas na produção de óleo e gás natural e, especificamente, a estruturas semissubmersíveis.

[002]Há diversas estruturas flutuantes utilizadas na produção de óleo e gás no mar de águas profundas. Cada tipo de sistema tem suas próprias vantagens e desvantagens relativas a características de movimento que podem torná-lo mais ou menos adequado para uso em determinadas condições de onda.

[003]A estrutura semissubmersível é um tipo de estrutura flutuante que tem colunas verticais que sustentam lados de topo, com as colunas sendo sustentadas sobre grandes pontões que se estendem entre as colunas, conforme visto nas Figuras 14A e 14B. A estrutura é tipicamente mantida na posição pelo uso de linhas de amarração espalhadas que são ancoradas no fundo do mar. A estrutura semissubmersível tem várias características únicas comparadas com as de outras estruturas flutuantes, tais como uma Spar e TLP (plataforma com pernas esticadas).

[004]Estruturas semissubmersíveis convencionais proporcionam vantagens gerais que incluem: A estrutura semissubmersível tem boa estabilidade por causa de uma pegada grande e baixo centro de gravidade. O casco exige uma tonelagem de aço mais baixa. A estrutura semissubmersível pode incluir capacidade de perfuração. A estrutura semissubmersível pode sustentar um grande número de tubos ascendentes flexíveis ou SCRs (risers de aço em catenária) por causa do espaço disponível nos pontões. Os lados de topo podem ser integrados no lado de atracação e reduzem, portanto, o custo e economizam tempo de programação. A estrutura semissubmersível tem programa de desenvolvimento relativamente curo a médio e o investimento inicial é relativamente baixo. A estrutura semissubmersível pode ser também mantida em uma corrente de ar rasa relativa durante o lançamento e trabalho de encaixe, o que significa que pode ser lançada ou trabalhada no lado de atracação em adjacência à maioria dos metros (jardas) de construção em todo o mundo. A estrutura semissubmersível apresenta uma capacidade de carga útil maior que a das Spars e pode funcionar em águas mais profunda que as das TLPs. As estruturas semissubmersíveis permitem a integração no lado de atracação e são mais simples de instalar do que tanto as Spars quanto as TLPs.

[005]A estrutura semissubmersível tem também várias deficiências. A mais significativa é que a água mais turbulenta produzida por tempestades pode provocar movimentos de arfagem (vertical) grandes. Consequentemente, as estruturas semissubmersíveis não têm sido adequadas para uma disposição de tubo ascendente de árvore seca. Uma disposição de tubo ascendente de árvore seca tem os controles de poço (referidos na indústria como “árvore” ou “Árvore de Natal”) acima da linha d’água na embarcação. A conexão de fluxo entre o leito do mar e a arvore seca é proporcionada por um tubo ascendente de tensão de topo vertical (TTR), A disposição de tubo ascendente de árvore seca tem benefícios econômicos significativos para a conclusão do poço, remoção e intervenção durante a vida útil da instalação de produção no mar. O tubo ascendente de árvore seca também oferece as vantagens operacionais de garantia de fluxo, acesso ao poço, perfuração, etc., o que não é possível com unidades de árvore úmida.

[006]A indústria offshore vem tentando desenvolver uma disposição bem- sucedida para uma estrutura semissubmersível de árvore seca como uma alternativa às Spars e TLPs por mais de uma década. Esse esforço não tem tido sucesso até agora. Outro problema causado pelo movimento de arfagem grande é que ele provoca fadiga em SCRs mais facilmente, o que exige um desenho para fadiga mais rigoroso para os SCRs e, portanto, os custos são maiores. Para uma plataforma com SCRs de grande diâmetro a solução para este problema pode tornar-se técnica ou economicamente inviável.

[007]As ideias que têm sido exploradas pela indústria para se obter características de baixo movimento de estruturas semissubmersíveis se incluem geralmente nas categorias referidas a seguir.

[008]A primeira é uma estrutura semissubmersível de calado profundo. O conceito é o de aumentar o calado da faixa normal de 18,28 a 24,38 m (60-80 pe) até mais de 30,48 m (100 pe), de modo que a ação das ondas sobre a quilha seja reduzida, e assim a estrutura tenha menos movimento. Isto torna a opção semissubmersível viável em alguns locais quando a estrutura semissubmersível convencional não seria escolhida por causa das dificuldades em lidar com os problemas de fadiga de tubos ascendentes SCR. Entretanto, o movimento de deslocamento das camadas do solo é ainda relativamente grande comparado com o dos Spars e das TLPs. Além disto, a disposição de arvore seca é ainda não viável.

[009]A segunda é uma estrutura semissubmersível com uma ou mais placas de arfagem 48 situadas abaixo do casco. Isto é mostrado na Figura 13. A idéia básica e a de adicionar uma placa ou pontão de arfagem no casco que se estenda em calado profundo. A placa ou pontão de arfagem adiciona amortecimento e massa adicional à plataforma, o que reduzirá seu movimento de arfagem em condições de onda.

[010]A maioria dos conceitos baseados na placa de arfagem têm a placa ou pontão de arfagem como uma peça extensível presa à base do casco semissubmersível por meio de colunas ou de uma estrutura em treliças. A placa ou pontão de arfagem é recuada nos metros (jardas) de fabricação e durante a transportação. Depois que o casco é posicionado no local, a placa ou pontão de arfagem é em seguida estendido ou abaixado até uma elevação mais profunda e travado nessa posição.

[011]Os desenhos conhecidos sofrem de várias deficiências. As colunas extensíveis tomam demasiado espaço no convés, em alguns casos podem chegar a 30% do espaço de convés total, o que é impraticável do ponto de vista de layout do equipamento nos lados de topo. As conexões estruturas e os mecanismos de travamento das colunas extensíveis são complicados. Eles são difíceis de construir, implicam riscos durante a instalação e são difíceis de manter. Por outro lado, desenhos com placas de arfagem fixadas rigidamente têm um calado muito maior que o de uma estrutura semissubmersível convencional e não podem ser prontamente levados até o lado de atracação.

[012]Os recursos desejados de uma alternativa para a Spars e TLP são: 1) características de movimento compatíveis com TTRs, 2) baixo custo, 3) capacidade de funcionar em águas profundas que ultrapassam 2438,40 m (8000 pés), 4) área de convés grande, 5) capacidade de carga útil elevada e, 6) integração/montagem no lado de atracação.

[013]O desfio para estruturas semissubmersíveis como flutuadores de árvore seca é sua resposta de arfagem comparativamente grande nas ondas. Uma vez que tubos ascendentes de árvore seca são dispostos em sentido vertical, os movimentos relativos entre a embarcação e os tubos ascendentes devem ser compensados por esticadores de tubo ascendente. Desenhos semissubmersíveis típicos têm uma resposta de arfagem que resulta em um curso de esticamento que ultrapassa a faixa de curso dos tensores devem ser compensados por tensores de tubos ascendentes. Desenhos semissubmersíveis típicos têm uma resposta de arfagem que resulta em um curso de tensor que ultrapassa a faixa de cursos dos tensores de tubo ascendente existentes. A obtenção de uma resposta de arfagem compatível com a tecnologia de tensor pronta para o mercado é, portanto, crucial para o desenvolvimento de uma estrutura semissubmersível de árvore seca.

Sumário da Invenção

[014]A presente invenção é desenhada em uma estrutura semissubmersível com colunas verticais flutuantes e um pontão flutuante. Ao contrário da estrutura semissubmersível típica, na qual os pontões são fixados diretamente entre as colunas, o pontão da invenção circunda as colunas e é disposto no lado externo das colunas. O pontão que circunda as colunas reduz os movimentos de arfagem da embarcação e proporciona uma disposição estrutural simples para a construção. Os diversos recursos de ineditismo que caracterizam a invenção são assinalados especificamente nas reivindicações anexas e que fazem parte desta revelação. Para um melhor entendimento da presente invenção e das vantagens operacionais alcançadas com o seu uso, é feita referência aos desenhos anexos e à descrição, que formam uma parte desta revelação, na qual é mostrada uma modalidade preferida da invenção.

Descrição Resumida dos Desenhos

[015]Nos desenhos anexos que fazem parte deste relatório, e nos quais os números de referência mostrados nos desenhos designam as mesmas peças ou peças correspondentes em todos eles:

[016]A Figura 1 é uma vista em perspectiva da estrutura semissubmersível da invenção com uma estrutura dos lados de topo.

[017]A Figura 2 é uma vista em perspectiva da estrutura semissubmersível da invenção com um lado de topo, estrutura de guia de quilha e tubos ascendentes de tensão de topo instalados.

[018]A Figura 3 é uma vista de topo da invenção.

[019]As Figura 4 e 5 mostram dois exemplos de seção transversal de pontão para a invenção.

[020]A Figura 6 é uma vista de topo do casco semissubmersível com colunas circulares.

[021]A Figura 7 é uma vista de topo do casco semissubmersível com uma conformação de pontão alternativa.

[022]A Figura 7A é uma vista detalhada da área 7A indicada na Figura 7.

[023]A Figura 8 é uma vista de topo do casco semissubmersível que mostra a estrutura de guia de quilha.

[024]As Figuras 9 e 10 são vistas detalhadas que mostram a ligação entre a coluna e o pontão.

[025]As Figuras 11 e 12 são gráficos que apresentam comparação RAO de arfagem para estruturas sem ou com tubos ascendentes de tensão de topo.

[026]As Figuras 13, 14A e 14B mostram estruturas semissubmersíveis da técnica anterior.

[027]As Figuras 15A-D mostram configurações de coluna diferentes e o perímetro externo das colunas.

Descrição das Modalidades Preferidas

[028]Conforme visto na Figura 1, a estrutura flutuante semissubmersível no mar 10 da invenção é geralmente constituída por colunas verticais flutuantes 12, um pontão flutuante 14 preso à colunas 12 e um lado de topo 16.

[029]As colunas verticais 12 são dimensionadas em proporção ao peso projetado da estrutura 10 de modo que elas, juntamente com o pontão 14 proporcionem flutuação adequada para fazer flutuar a estrutura completa 10 na instalação e localização operacional no mar. Embora o desenho mostre o uso de quatro colunas 12, deve ficar entendido que três, quatro ou mais colunas podem ser utilizadas conforme necessário para estruturas de tamanhos diferentes. As Figuras 15 A-D mostram números, disposições e seções transversais diferentes das colunas 12. As colunas 12 podem ser de seção transversal quadrada ou retangular, conforme mostrado nas Figuras 1, 2, 3 e 7-10, ou elas podem ser de seção transversal circular conforme mostrado na Figura 6. Embora sejam mostrados apenas seções transversais retangulares e circulares, deve ficar entendido que podem ser também utilizados outras seções transversais.

[030]Na modalidade preferida (melhor vista nas Figuras 1, 2, 3 e 6-10) o pontão 14 é dimensionado de modo que o perímetro interno do pontão 14 fique disposto no lado externo do perímetro externo das colunas 12, conforme definido pela estrutura, de modo que o pontão 14 não se estenda entre as ou no interior das colunas 12. O pontão 14 circunda as colunas 12 e é deslocado do perímetro das colunas 12 em uma distância “x”, conforme indicado nas Figuras 3, 4 e 5, de modo que nenhuma das superfícies verticais das colunas 12 fique no mesmo plano das superfícies verticais do pontão 14. Conforme visto nas vistas detalhas das Figuras 7A, 9 e 10, o deslocamento é obtido com o uso de conectores de coluna com pontão 24 para prender o pontão 14 às colunas 12. Os conectores de coluna com pontão 24 podem ter uma extremidade inclinada 36, conforme visto na Figura 9, ou uma extremidade reta 38, conforme visto na Figura 10. Cada conector de coluna com pontão 24 é rigidamente conectado entre as colunas e o pontão ou qualquer dispositivo adequado, tal como soldagem. O uso de um conector separado oferece a vantagem de ajustar o deslocamento entre as colunas 12 e o pontão 14 de modo a se obterem as características de movimento desejadas da estrutura semissubmersível 10.

[031]Conforme visto nas Figuras 15A-D, o perímetro externo das colunas 12 é definido pela linha 50 e pode ser considerada como a trajetória mais curta que circunda todas as colunas 12.

[032]Conforme indicado acima, a flutuação proporcionada pelo pontão 14 está diretamente relacionada com o tamanho e o peso da estrutura que deve ser sustentada pelas colunas flutuantes 12 e pelo pontão flutuante 14. O pontão 14 e as colunas 14 podem ser divididos em uma série de compartimentos flutuantes separados.

[033]As Figuras 4 e 5 mostram dois exemplos de seção transversal de pontão. A Figura 4 mostra um pontão com uma seção transversal retangular. A Figura 5 mostra um pontão com uma seção transversal que inclui as placas de arfagem 18 que se estendem para fora a partir das superfícies superior e inferior do pontão 14 para longe da estrutura 10. Embora a razão largura-altura da seção transversal do pontão mostrada na Figura 5 seja inferior à daquela da Figura 4, isto não deve ser necessariamente tomado como sendo em escala. Deve ficar também entendido que, mesmo se a razão largura-altura do pontão for menor, conforme visto na Figura 5, as placas de arfagem 18 ainda servem para aperfeiçoar as características de movimento da estrutura 10 pelo aumento efetivo da massa de água retida durante os movimentos de arfagem devidos a forças ambientais.

[034]Os cantos 20 do pontão 14 podem ser bise lados, conforme visto nas Figuras 1-3, 6 e 8, ou os cantos 20 podem ficar em ângulos retos (90 graus), conforme visto na Figura 7.

[035]A Figura 1 mostra a estrutura semissubmersível 10 da invenção com uma estrutura no lado de topo básica a ser instalada sobre a e sustentada pela extremidade superior das colunas 12. O lado de topo 16 é mostrado acima das colunas para maior clareza no desenho. A flutuação das colunas 12 e do pontão 14 sustenta o lado de topo 16 acima da linha d’água 22 durante as operações de perfuração e produção no mar. O lado de topo 16 é utilizado para sustentar alojamentos para trabalhadores, armazenamento de equipamento e equipamento de perfuração e produção.

[036]As estruturas semissubmersíveis podem ser temporariamente retidas na posição para atividades de curto prazo por posicionamento dinâmico com o uso de impulsores. Entretanto, para operações de longo prazo tais como perfuração e produção, a estrutura é geralmente mantida no lugar por linhas de amarração fixadas entre a estrutura 10 e âncoras no fundo do mar. Para o bem de desenhos menos complexos, não são mostrados o equipamento de posicionamento dinâmico, as linhas de amarração, as âncoras e a fixação das linhas de amarração na estrutura uma vez que eles são notoriamente conhecidos na indústria offshore.

[037]A Figura 2 mostra a estrutura semissubmersível 10 da invenção com o lado de topo 16, uma estrutura de guia de quilha 26 (melhor vista na Figura 8), tubos ascendentes 28 e uma torre de perfuração 32 para sustentar o trabalho de perfuração. A estrutura de guia de quilha 26 controla o movimento lateral dos tubos ascendentes 28. Conforme visto na Figura 8, a estrutura de guia de quilha provê fendas individuais 34 através das quais passam os tubos ascendentes 28. Embora a embarcação possa sustentar uma combinação de tubos ascendentes de árvore seca e árvore úmida, dependendo da situação, a intenção da Figura 2 é mostrar tubos ascendentes de árvore seca, conforme indicado pelo equipamento de tubo ascendente 30 na seção média do lado de topo 16.

[038]As Figuras 11 e 12 são gráficos que apresentam uma comparação de RAO (operador de amplitude de resposta) de arfagem de uma estrutura semissubmersível convencional e a invenção. As Figuras 11 e 12 mostram RAOs sem e com tubos ascendentes de tensão de topo respectivamente instalados. Pode se ver que a invenção, indicada pelas linhas tracejadas curtas, espessas, apresenta um RAO de arfagem mais favorável que o de uma estrutura semissubmersível convencional (técnica anterior) com um pontão, conforme mostrado na Figura 14A. O aperfeiçoamento da invenção é devido ao fato de que ela desloca a conformação característica do RAO da arfagem para período de ondas mais elevadas, isto é, à direita nas Figuras 11 e 12. O deslocamento de RAO de arfagem para um período de ondas mais elevadas empurra a área de resposta elevada do RAO (isto é, a região de ressonância) para fora da faixa de energia de onda elevada, o que reduz a resposta de arfagem da embarcação. A redução da arfagem da invenção comparada com a da estrutura semissubmersível convencional na Figura 14A é particularmente significativa em um ambiente de ondas de 1000 anos no qual o arfagem da embarcação é tipicamente o maior.

[039]Um deslocamento de RAO de arfagem para período de ondas mais elevadas pode ser também obtido em alguma medida pelo aumento da largura do pontão de uma estrutura semissubmersível convencional (técnica anterior) conforme mostrado na Figura 14B. Entretanto, o aumento da largura do pontão tem o efeito adverso de aumentar o RAO de arfagem na faixa de período de ondas de cerca de 10 segundos a cerca de 22 segundos, aumentando assim novamente a resposta de arfagem total da embarcação. Conforme mostrado nas Figuras 11 e 12, a invenção realiza ambos, ela desloca a região de resposta elevada do RAO (isto é, a região de ressonância) para fora da faixa de energia de onda elevada e também mantém baixo o RAO de arfagem na região de cerca de 10 segundos até 22 segundos.

[040]A invenção apresenta várias vantagens.

[041]Ela apresenta um período natural de arfagem mais longo que o de uma estrutura semissubmersível convencional, o que reduz o movimento de arfagem da embarcação em ambiente de ondas com períodos de ondas longos.

[042]Ela reduz a resposta de arfagem da embarcação na faixa de períodos de ondas de 10 segundos e 22 segundos.

[043]A redução na resposta de arfagem permite o uso de uma disposição de tubo ascendente de árvore seca para estruturas semissubmersíveis.

[044]A redução na resposta de arfagem reduz a fadiga de SCRs para aplicações de árvore úmida.

[045]O pontão de grande porte apresenta um calado mínimo pequeno, o que permite a integração da embarcação no lado de atracação em metros (jardas) com profundidade em águas rasas no lado de atracação.

[046]A invenção apresenta um sistema flutuante para tubos ascendentes de árvore seca sem a limitação de profundidade de água das plataformas com pernas de tensão (TLPs).

[047]A invenção apresenta um sistema flutuante para tubos ascendentes de árvore seca sem a limitação de área de convés das plataformas Spar.

[048]A invenção apresenta um sistema flutuante para tubos ascendentes de árvore seca sem a limitação de carga útil das plataformas Spar.

[049]Versatilidade - a invenção é adequada para uma ampla faixa de aplicações que incluem unidades de produção de árvore seca e árvore úmida, assim como para MODUs (unidades de perfuração móveis no mar).

[050]Embora modalidades e/ou detalhes específicos tenham sido mostrados e descritos acima para ilustrar a aplicação dos princípios da invenção, deve ficar entendido que esta invenção pode ser corporificada conforme completamente descrito nas reivindicações ou conforme conhecido pelos versados na técnica, (inclusive qualquer um e todos os equivalentes), sem que se abandonem tais princípios.

Claims (14)

1. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10) compreendendo: uma pluralidade de colunas flutuantes (12) afastadas umas das outras; um pontão flutuante (14); e um lado de topo (topside) (16) fixado a e sustentado em topos da pluralidade de colunas flutuantes (12), CARACTERIZADA pelo fato de que o pontão flutuante (14) é fixado em extremidades inferiores da pluralidade de colunas flutuantes (12) por conectores de coluna com pontão (24), e o pontão flutuante (14) tem um perímetro interno circundando a pluralidade de colunas flutuantes (12), o perímetro interno do pontão flutuante (14) disposto fora de um perímetro externo da pluralidade de colunas flutuantes (12).

2. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o pontão flutuante (14) é deslocado da pluralidade de colunas flutuantes (12) de modo que nenhuma das superfícies verticais da pluralidade de colunas flutuantes (12) estejam no mesmo plano de superfícies verticais do pontão flutuante (14).

3. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que uma seção transversal de cada coluna (12) da pluralidade de colunas flutuantes (12) é retangular.

4. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que uma seção transversal de cada coluna (12) da pluralidade de colunas flutuantes (12) é circular.

5. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA por compreender adicionalmente uma placa de arfagem (48) se estendendo em sentido horizontal a partir do pontão flutuante (14).

6. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, CARACTERIZADA pelo fato de que cantos (20) do pontão flutuante (14) são biselados.

7. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que cantos (20) do pontão flutuante (14) formam um ângulo reto.

8. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 3 a 7, CARACTERIZADA pelo fato de que o pontão flutuante (14) é deslocado a partir da pluralidade de colunas flutuantes (12).

9. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que os conectores de coluna com pontão (24) compreendem um conector de coluna com pontão posicionado entre o perímetro interno do pontão flutuante (14) e cada coluna flutuante (12) da pluralidade de colunas flutuantes (12).

10. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que o perímetro interno do pontão flutuante (14) é disposto inteiramente fora do perímetro externo da pluralidade de colunas flutuantes (12).

11. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que cada conector de coluna com pontão (24) é acoplada a uma superfície de perímetro interno do pontão flutuante (14) e uma superfície de coluna externa de extremidade inferior de uma coluna flutuante (12) respectiva da pluralidade de colunas flutuantes (12).

12. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADA pelo fato de que cada conector de coluna com pontão (24) é configurado para ajustar um deslocamento entre a pluralidade de colunas flutuantes (12) e o pontão flutuante (14).

13. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, CARACTERIZADA pelo fato de que o pontão flutuante (14) é fixado de modo ajustável à pluralidade de colunas flutuantes (12).

14. Estrutura flutuante semissubmersível no mar (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, CARACTERIZADA pelo fato de que o perímetro interno do pontão flutuante (14) é disposto fora do perímetro externo da pluralidade de colunas flutuantes (12) de modo que o pontão flutuante (14) não se estenda entre ou no interior da pluralidade de colunas flutuantes (12).