BR102020022903A2

BR102020022903A2 - Instalação submarina de aquecimento de um efluente difásico líquido/gás que circula dentro de um invólucro submarino

Info

Publication number: BR102020022903A2
Application number: BR102020022903-6A
Authority: BR
Inventors: Stéphane Anres
Original assignee: Saipem S.A.
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-06-29
Also published as: FR3104669A1; FR3104669B1; EP3835641A1; BR102020022903A8; US20210180436A1

Abstract

a invenção refere-se a uma instalação submarina de aquecimento (2) de um efluente difásico líquido/gás que circula dentro de um invólucro submarino, que compreende uma pluralidade de seções de conduto aquecidas (4-1 a 4-6) que são conectadas sucessivamente umas com as outras por seções de conduto curvas (6-1 a 6-5) para formar uma serpentina de aquecimento, cada seção de conduto aquecida sendo inclinada em relação à horizontal de um ângulo (¿) compreendido entre 2 e 10º a fim de favorecer um regime de escoamento distribuído do efluente difásico e sendo munida de um sistema de aquecimento por indução.

Description

INSTALAÇÃO SUBMARINA DE AQUECIMENTO DE UM EFLUENTE DIFÁSICO LÍQUIDO/GÁS QUE CIRCULA DENTRO DE UM INVÓLUCRO SUBMARINO

Domínio técnico

[0001] A presente invenção refere- se ao domínio geral do aquecimento dos condutos metálicos de transporte de fluidos, e em especial dos condutos submarinos que repousam no fundo do mar e que asseguram uma ligação entre poços de produção de hidrocarbonetos submarinos, notadamente de petróleo e de gás, e uma instalação de superfície, por exemplo uma unidade flutuante de produção, de estoca-gem e de descarga.

Técnica anterior

[0002] Dentro de um mesmo campo de produção de hidrocarbonetos offshore, é corrente explorar vários poços que podem estar separados uns dos outros de vários quilômetros, e mesmo dezenas de quilômetros. Os efluentes difásicos (mistura líquido/gás) provenientes desses diferentes poços devem ser coletados por condutos submarinos pousados no fundo do mar e transferidos por condutos por condutos de ligação fundo/superfície para uma instalação de superfície, por exemplo um navio ou um ponto de coleta terrestre, que vai recolher os mesmos para estocá-los (e eventualmente tratá-los).

[0003] Por outro lado, devido à extração dos mesmos em uma grande profundidade no subsolo, os efluentes difásicos provenientes dos poços de produção de hidrocarbonetos submarinos saem a uma temperatura relativamente elevada ao nível do fundo do mar (tipicamente da ordem de 70°C). A água de mar sendo geralmente fria, sobretudo nas grandes profundidades onde ela está tipicamente a 4°C, se nenhuma disposição for tomada para conservar o calor dos efluentes na saída dos poços de produção, esses últimos vão se resfriar progressivamente percorrendo para isso os quilômetros de condutos submarinos. Ora, esses efluentes difásicos contêm diversos compostos químicos para os quais um resfriamento faz surgir fenômenos prejudiciais para a manutenção de boas condições de circulação.

[0004] Assim, as moléculas de gás, notadamente o metano, se combinam com as moléculas de água para formar, em baixa temperatura, cristais de hidratos. Esses últimos podem colar nas paredes, se aglomerar nelas e levar à formação de tampões capazes de bloquear o conduto submarino. Do mesmo modo, a solubilidade no petróleo dos compostos de altos pesos moleculares, como as parafinas ou os asfal-tenos, diminui quando a temperatura baixa, o que dá origem a depósitos sólidos capazes, eles também, de bloquear o conduto submarino.

[0005] Uma solução conhecida para evitar a formação de tampões dentro dos condutos submarinos consiste em aquecer os condutos submarinos em todo o comprimento dos mesmos graças a um ou vários cabos elétricos que são enrolados em torno dos condutos para aquecer os mesmos por efeito Joule. Essa solução que é chamada de "aquecimento de traço" (ou "trace heating" em inglês) permite manter os efluentes difásicos transportados nos condutos submarinos a uma temperatura superior a um limite crítico em todo o trajeto dos mesmos a partir do poço de produção até a instalação de superfície.

[0006] Essa solução apresenta problemas evidentes ligados à instalação de tais cabos elétricos de aquecimento em todo o comprimento dos condutos submarinos, com os altos custos que isso representa em termos de instalação e de manutenção. Por outro lado, o aquecimento de traço é baseado na continuidade da instalação ao longo de todos os condutos submarinos. Ora, se essa continuidade viesse a ser rompida por uma razão ou por outra em um lugar dos condutos, toda a instalação se encontraria fora de serviço. Essa limitação impõe portanto considerar esse tipo de aquecimento unicamente para as fases ditas de preservação dos efluentes transportados, e não para as fases operacionais de funcionamento.

[0007] É conhecida pela publicação WO 2016/066968 uma estação de aquecimento local que pode ser posicionada em vários lugares ao longo dos condutos submarinos a fim de assegurar um nível de temperatura dos efluentes transportados suficiente em um comprimento muito grande de condutos. Na prática, cada estação de aquecimento pode compreender um número de enrolamentos horizontais de conduto que é um múltiplo do número de fases da corrente elétrica de alimentação, os enrolamentos de conduto sendo cada um deles de uma seção de conduto em torno da qual é enrolado um solenoide, os solenoides sendo montados eletricamente de maneira a obter uma montagem polifásica. Esse tipo de arquitetura apresenta assim uma grande facilidade de instalação e uma grade flexibilidade de utilização.

[0008] O desenho da estação de aquecimento local deve permitir injetar níveis de potência térmica bastante elevados minimizando assim o comprimento de conduto a aquecer e respeitando assim uma temperatura de conduto máxima (tipicamente da ordem de 150°C). Ora, ainda que eficaz, a solução de estação de aquecimento apresentada na publicação WO 2016/066968 necessita aquecer comprimentos de conduto muito grandes, o que aumenta consideravelmente o peso e as dimensões da estação de aquecimento.

Exposição da invenção

[0009] A presente invenção tem portanto como objetivo principal propor uma instalação de aquecimento que não apresente os inconvenientes precitados.

[0010] De acordo com a invenção, esse objetivo é atingido graças a uma instalação submarina de aquecimento de um efluente difásico líquido/gás que circula dentro de um invólucro submarino, que compreende uma pluralidade de seções de conduto aquecidas que são conectadas sucessivamente umas com as outras por seções de conduto curvas para formar uma serpentina de aquecimento, cada seção de conduto aquecida sendo inclinada em relação à horizontal de um ângulo compreendido entre 2 e 10° a fim de favorecer um regime de escoamento distribuído do efluente difásico e sendo munida de um sistema de aquecimento por indução.

[0011] A instalação de aquecimento de acordo com a invenção é notável pelo fato de que as seções de conduto aquecidas são inclinadas em relação à horizontal. Por "a horizontal", é entendida aqui qualquer direção perpendicular à direção da gravidade. Essa inclinação permite favorecer um regime de escoamento distribuído do efluente difásico que circula dentro da instalação. Um escoamento dito "distribuído" (e em especial um escoamento de tampões) se caracteriza por uma estrutura que apresenta uma sucessão de bolsas de gás e de tampões de líquido que contêm pequena bolhas. Esse tipo de escoamento se opõe a um escoamento dito "estratificado" que é obtido por um escoamento de efluente difásico que circula dentro de seções de conduto horizontais e do qual a interface líquido/gás se apresenta sob a forma de uma superfície contínua que separa as duas fases (o líquido está situado embaixo do gás sob o efeito da gravidade). Ora, foi constatado que um regime de escoamento distribuído permite aumentar o coeficiente de troca térmica entre a seção de conduto e o efluente difásico (notadamente em relação a um escoamento estratificado que é heterogêneo e prejudicial ao coeficiente de troca térmica). A inclinação das seções de conduto aquecidas permite assim obter um regime de escoamento distribuído e melhorar significativamente o coeficiente de troca térmica e, portanto, favorecer a transferência de potências térmicas bastante elevadas. Desse modo, para os mesmos níveis de potência injetada, é possível reduzir bastante o comprimento das seções de conduto aquecidas, e, portanto, reduzir o volume e o peso da instalação de aquecimento.

[0012] Deve ser notado que favorecer um regime de escoamento distribuído dentro do invólucro submarino vai completamente de encontro aos preconceitos do profissional que tem ao contrário tendência a favorecer regimes de escoamento estratificados. De fato, os regimes de escoamento distribuídos têm o inconveniente de gerar (pelo menos para uma gama de vazões) tampões líquidos dentro das seções de conduto que solicitam o conduto em vibrações, em especial ao nível das peças de conexão e além disso geram perdas de carga maiores.

[0013] A serpentina de aquecimento pode ser montada sobre um quadro formado por uma união de tubos verticais e horizontais, cada seção de conduto aquecida sendo inclinada em relação aos tubos horizontais do quadro de um ângulo compreendido entre 2 e 10°.

[0014] A serpentina de aquecimento pode compreender pelo menos seis seções de conduto retilíneas ligadas umas com as outras por pelo menos cinco seções de conduto curvas, uma entrada destinada a ser conectada ao invólucro submarino e uma saída, a entrada e a saída sendo de preferência deslocadas verticalmente uma da outra.

[0015] As seções de conduto aquecidas são de preferência substancialmente retilíneas. De preferência também, cada seção de conduto aquecida da serpentina de aquecimento é inclinada em relação à horizontal de um ângulo de 5°.

[0016] As seções de conduto aquecidas da serpentina de aquecimento podem cada uma delas ser ascendentes para o efluente, e as seções de conduto curvas são cada uma delas descendentes para o efluente.

[0017] Ainda de preferência, pelo menos uma das seções de conduto curvas é munida de um sistema de aquecimento por indução (mesmo se o escoamento nessas seções de conduto curvas for menos distribuído do que para as seções de conduto aquecidas).

[0018] O sistema de aquecimento de cada seção de conduto aquecida da serpentina de aquecimento pode compreender pelo menos uma bobina de indução disposta em torno da seção de conduto aquecida em pelo menos uma porção de seu comprimento e alimentada por uma corrente elétrica de modo a gerar uma corrente induzida na seção de conduto aquecida própria para provocar um aquecimento dessa última.

[0019] As bobinas de indução do sistema de aquecimento podem possuir uma potência elétrica compreendida entre 1 e 100 kW por metro de conduto bobinado.

[0020] As seções de conduto aquecidas podem vantajosamente ser recobertas por uma camada de isolante térmico em torno da qual são embobinadas as bobinas de indução.

Breve descrição dos desenhos

[0021] A figura 1 é uma vista esquemática de lado de uma instalação submarina de aquecimento de acordo com um modo de realização da invenção.

[0022] A figura 2 é uma vista de cima da instalação da figura 1.

[0023] A figura 3 é uma vista esquemática de lado de uma instalação submarina de aquecimento de acordo com um outro modo de realização da invenção.

Descrição dos modos de realização

[0024] A invenção se aplica a qualquer rede de condutos submarinos de invólucro(s) simples ou múltiplo(s) que assegura uma ligação entre pelo menos um poço de produção de hidrocarbonetos submarino e uma instalação de superfície.

[0025] Uma tal rede de condutos submarinos tem como objetivo transferir os efluentes de hidrocarbonetos (mistura difásica de petróleo e de gás) que provêm de um ou vários poços de produção submarinos para encaminhar os mesmos para uma instalação de superfície, por exemplo uma unidade flutuante de produção, de estocagem e de descarga (também chamada de FPSO para "Floating Production Storage and Offloading" em inglês).

[0026] Essas redes compreendem geralmente vários condutos submarinos de invólucro(s) simples ou múltiplos que são colocados no fundo do mar e dentro dos quais circulam os efluentes difásicos que provêm dos poços de produção.

[0027] Para manter os efluentes transportados dentro desses condutos submarinos a uma temperatura superior a um limite crítico que permite evitar a formação de depósitos dentro dos ditos condutos, a invenção prevê conectar os condutos a uma ou várias instalações submarinas de aquecimento amovíveis tais como aquela representada nas figuras 1 e 2.

[0028] A instalação de aquecimento 2 representada nessas figuras é conectada de maneira amovível a um conduto submarino de invólucro simples (não representado). Ela é comandada a partir da instalação na superfície (não representada na figura) em função notadamen-te do modo de funcionamento da rede (tipicamente: fase de funcionamento normal, fase de preservação ou fase de reinicio da produção).

[0029] De modo geral, a instalação de aquecimento 2 de acordo com a invenção compreende uma pluralidade de seções de conduto aquecidas 4 que são conectadas sucessivamente umas com as outras por seções de conduto curvas 6 de modo a formar uma única serpentina de aquecimento, as seções de conduto aquecidas 4 sendo tipicamente realizadas em um metal condutor tal como o aço. As seções de conduto 4, 6 que formam a serpentina de aquecimento são montadas sobre um quadro 7 formado por uma união de tubos verticais 7a e por tubos horizontais 7b.

[0030] Mais precisamente, no exemplo de realização das figuras 1 e 2, a instalação de aquecimento 2 compreende uma entrada 8 que é destinada a ser conectada ao conduto submarino de invólucro simples e que desemboca em uma primeira seção de conduto aquecida 4-1.

[0031] Essa última desemboca (na extremidade oposta à entrada 8) em uma primeira seção de conduto curva 6-1 que ela própria desemboca em uma extremidade de uma segunda seção de conduto aquecida 4-2 que avança no sentido inverso da primeira.

[0032] O circuito se repete de acordo com esse mesmo esquema de modo a formar uma serpentina de aquecimento que compreende aqui seis seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 que são ligadas umas com as outras por cinco seções de conduto curvas 6-1 a 6-5, uma entrada 8 e uma saída 10, a entrada e a saída sendo deslocadas verticalmente e horizontalmente uma da outra.

[0033] Será notado que nesse modo de realização as seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 são retilíneas. Naturalmente, elas poderiam ser curvas.

[0034] Ainda de acordo com a invenção, as seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 são cada uma delas inclinada em relação à horizontal (ou em relação aos tubos horizontais 7b do quadro 7) de um mesmo ângulo α que é compreendido entre 2 e 10°, e que é de preferência igual a 5°.

[0035] De preferência, as seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 são cada uma delas ascendentes no sentido de escoamento do efluente, e as seções de conduto curvas 6-1 a 6-5 são cada uma delas descendentes no sentido de escoamento do efluente.

[0036] Assim, com uma tal disposição, como representado na figura 2, as seções de conduto aquecidas 4-1,4-2 e 4-5 são paralelas entre si, assim como as seções de conduto aquecidas~4-2, 4-4 e 4-6.

[0037] A inclinação das seções de conduto aquecidas permite favorecer um regime de escoamento dito "distribuído", e mais especialmente um escoamento de tampões, do efluente difásico que circula dentro da instalação.

[0038] Um escoamento distribuído possui uma estrutura que apresenta uma sucessão de bolsas de gás e de tampões de líquido que contêm pequenas bolhas. Esse tipo de escoamento se opõe a um escoamento dito "estratificado" que é obtido por um escoamento de efluente difásico que circula dentro de seções de conduto horizontais e do qual a interface líquido/gás se apresenta sob a forma de uma superfície contínua que separa as duas fases (o líquido está situado embaixo do gás sob o efeito da gravidade).

[0039] Ainda de acordo com a invenção, pelo menos as seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 são cada uma delas munida de um sistema de aquecimento por indução.

[0040] Tipicamente, o sistema de aquecimento de cada seção de conduto aquecida compreende pelo menos uma bobina de indução 16 (ou solenoide) que é disposta em torno da seção de conduto aquecida 4-1 a 4-6 e, pelo menos uma porção de seu comprimento.

[0041] Essas bobinas de indução 16 são alimentadas a partir da instalação na superfície com corrente elétrica trifásica. Como as seções de conduto aquecidas são feitas de aço, a alimentação das bobinas de indução gera uma corrente induzida nessas últimas o que provoca o aquecimento das mesmas. O calor é em seguida transmitido pelas seções de conduto aquecidas ao fluido difásico em circulação por convecção.

[0042] A título de exemplo, para fazer a temperatura exterior das seções de conduto aquecidas subir, as bobinas de indução do sistema de aquecimento possuem uma potência elétrica compreendida entre 1 a 100 kW por metro de conduto bobinado.

[0043] Será notado que as seções de conduto aquecidas 4-1 a 46, assim como as seções de conduto curvas 6-1 a 6-5, podem ser recobertas por uma camada de isolante térmico 18. Nesse caso, as bobinas de indução 16 são embobinadas em torno dessa camada de iso-lante térmico.

[0044] Uma tal disposição da instalação submarina de aquecimento com seções de conduto aquecidas inclinadas em relação à horizontal permite melhorar de modo significativo a transferência térmica entre a face interna das seções de conduto aquecidas e o efluente difásico em circulação.

[0045] A título de exemplo, em relação a uma instalação submarina de aquecimento horizontal (tal como aquela descrita na publicação WO 2016/066968), é possível, com uma potência elétrica igual, diminuir o comprimento das seções de conduto aquecidas de mais de 40%.

[0046] Será notado que no modo de realização das figuras 1 e 2, somente as seções de conduto aquecidas 4-1 a 4-6 são munidas de um sistema de aquecimento por indução. Naturalmente as seções de conduto curvas poderiam também ser aquecidas.

[0047] Em ligação com a figura 3, será descrita agora uma instalação submarina de aquecimento 2’ de acordo com um outro modo de realização da invenção.

[0048] Esse modo de realização se distingue daquele precedentemente descrito notadamente por sua arquitetura de serpentina de aquecimento que compreende doze seções de conduto aquecidas retilíneas 4’-1 a 4’-12 que são conectadas sucessivamente umas com as outras por onze seções de conduto curvas 6’-1 a 6’-11. As seções de conduto aquecidas 4’-1 a 4’-12 são cada uma delas munida de um sistema de aquecimento por indução (na figura 3, por razões de comodidade, somente a seção de conduto 4’-9 representada com uma bobina de indução 16).

[0049] Por outro lado, ainda nesse modo de realização, a entrada 8’ e a saída 10’ são alinhadas verticalmente e deslocadas horizontalmente uma da outra.

Claims

Instalação submarina de aquecimento (2; 2’) de um efluente difásico líquido/gás que circula dentro de um invólucro submarino, caracterizada pelo fato de que compreende uma pluralidade de seções de conduto aquecidas (4-1 a 4- 6; 4’-1 a 4’-12) que são conectadas sucessivamente umas com as outras por seções de conduto curvas (6-1 a 6-5; 6’-1 a 6’-11) para formar uma serpentina de aquecimento, cada seção de conduto aquecida sendo inclinada em relação à horizontal de um ângulo (a) compreendido entre 2 e 10° a fim de favorecer um regime de escoamento distribuído do efluente difásico e sendo munida de um sistema de aquecimento por indução (16).
Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a serpentina de aquecimento é montada sobre um quadro (7) formado por uma união de tubos verticais (7a) e horizontais (7b), cada seção de conduto aquecida sendo inclinada em relação aos tubos horizontais (7b) do quadro de um ângulo (a) compreendido entre 2 e 10°.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizada pelo fato de que a serpentina de aquecimento compreende uma entrada (8; 8’) destinada a ser conectada ao invólucro submarino e que desemboca em uma seção de conduto aquecida que é ascendente para o efluente que circula dentro dela.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que as seções de conduto aquecidas são substancialmente retilíneas.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que as seções de conduto aquecidas da serpentina de aquecimento são cada uma delas ascendentes para o efluente, e as seções de conduto curvas são cada uma delas descendentes para o efluente.
Instalação (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que a serpentina de aquecimento compreende pelo menos seis seções de conduto retilíneas (4-1 a 4-6) ligadas umas com as outras por pelo menos cinco seções de conduto curvas (6-1 a 6-5), uma entrada (8) destinada a ser conectada ao invólucro submarino e uma saída (10), a entrada e a saída sendo de preferência deslocadas verticalmente uma da outra.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que cada seção de conduto aquecida da serpentina de aquecimento é inclinada em relação à horizontal de um ângulo (a) de 5°.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma das seções de conduto curvas é munida de um sistema de aquecimento por indução.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que o sistema de aquecimento de cada seção de conduto aquecida da serpentina de aquecimento compreende pelo menos uma bobina de indução (16) disposta em torno da seção de conduto aquecida em pelo menos uma porção de seu comprimento e alimentada por uma corrente elétrica de modo a gerar uma corrente induzida na seção de conduto aquecida própria para provocar um aquecimento dessa última.
Instalação, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que as bobinas de indução do sistema de aquecimento possuem uma potência elétrica compreendida entre 1 e 100 kW por metro de conduto bobinado.
Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 e 10, caracterizada pelo fato de que as seções de conduto aquecidas são recobertas por uma camada de isolante térmico (18) em torno da qual são embobinadas as bobinas de indução (16).