BR102022008813A2

BR102022008813A2 - Sistema tubular submarino de amortecimento de vibração

Info

Publication number: BR102022008813A2
Application number: BR102022008813-6A
Authority: BR
Inventors: Mitchell Z. Dziekonski
Original assignee: Mitchell Z. Dziekonski
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2022-11-16
Also published as: AU2022203047A1; EP4086425A1; US20220356766A1

Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema tubular submarino que compreende seções estendidas de um primeiro material e seções interpostas de um segundo material diferente que auxilia no amortecimento da vibração resultante de condições dinâmicas submarinas, tal como a corrente. As seções de amortecimento de vibração podem constituir uma porção do sistema global significativamente menor do que as seções do primeiro material. O número, comprimento e posições das seções de amortecimento de vibração podem ser selecionados com base em fatores como diâmetro, comprimento total, perfil e assim por diante. O sistema pode ser usado como um riser ou outro conduto para a produção de minerais como petróleo e gás.

Description

SISTEMA TUBULAR SUBMARINO DE AMORTECIMENTO DE VIBRAÇÃO

Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

[0001] Este pedido reivindica prioridade e benefício do Pedido Provisório dos EUA N° de Série 63/185.492, intitulado "Vibration Damping Subsea Tubular System", depositado em 7 de maio de 2021, que é aqui incorporado por referência em sua totalidade.

Antecedentes

[0002] A presente invenção refere-se a sistemas tubulares submarinos, tais como risers, linhas de fluxo, tubos de ponte e similares, e particularmente a sistemas que permitem amortecimento em vibrações de seções estendidas de tubulares sob a influência de correntes submarinas.

[0003] No campo da produção mineral submarina, uma ampla gama de equipamentos mecânicos e condutos de fluxo associados são conhecidos e em uso. Quando um poço ou local de produção está no (ou abaixo) do fundo do mar, os materiais extraídos precisam ser transportados para um local onde possam ser coletados e processados. Em muitos poços de petróleo e gás, por exemplo, isso é feito por um conduto estendido que é conectado em uma extremidade ao equipamento de poço submarino no fundo do mar a uma embarcação ou instalação flutuante ou permanente na outra. Esses condutos são comumente chamados de risers, embora partes deles possam ser conhecidos por outros termos, como tubos de ponte. Esses risers podem, por sua vez, assumir muitas formas, dependendo de fatores como a localização do poço, a profundidade da água, a natureza da embarcação conectada e assim por diante. Outros condutos podem conectar diferentes equipamentos de poços no fundo do mar, e esses condutos às vezes são chamados de linhas de fluxo ou tubos de ponte.

[0004] Além disso, embora mais conhecidos no campo de exploração e produção de petróleo e gás, tais sistemas tubulares são cada vez mais considerados para aplicações de mineração submarina. Nesses casos, os minerais que se encontram no fundo do mar ou perto dele podem ser coletados e movidos através dos sistemas para um ponto de coleta e processamento, que pode ser uma embarcação ou instalação flutuante ou parada.

[0005] Além disso, sistemas tubulares desses tipos podem servir a propósitos diferentes durante diferentes fases de operação. Para aplicações de poços, por exemplo, risers ou sistemas semelhantes podem ser usados durante a perfuração submarina. Após a conclusão do poço, um sistema de riser de produção é instalado e usado para transportar os fluxos produzidos a partir do poço até o ponto de coleta e processamento. A presente descrição diz respeito principalmente a tais sistemas de produção.

[0006] As dinâmicas mecânicas dos sistemas tubulares submarinos são complexas e muitas vezes difíceis ou mesmo impossíveis de prever com precisão. Ou seja, por exemplo, as elevações podem assumir diferentes formas ou perfis na medida em que se estendem de uma extremidade à outra, e a forma pode mudar ao longo do tempo devido, por exemplo, ao movimento da embarcação, sistemas climáticos, tensões no sistema, e assim por diante. Particularmente problemáticas são as correntes submarinas que podem não apenas deslocar o riser, neste exemplo, mas cuja velocidade pode corresponder a uma ou mais frequências ressonantes do riser. Foi descoberto que as correntes que ocorrem naturalmente, tais como as correntes de circuito, podem ser muito consideráveis, em alguns casos não sendo aparentes nas condições da superfície. Devido à dificuldade em antecipar ou modelar tais condições, é comum no campo "superconstruir" os risers utilizando tubulares produzidos de ligas de aço pesado em toda a sua extensão. Os sistemas resultantes são pesados e podem nem sempre resistir às tensões consideráveis observadas durante os períodos de sua vida útil. Onde as correntes causam vibração significativa, isso pode realmente reduzir significativamente sua vida útil e até ameaçar falha.

[0007] A presente descrição oferece uma abordagem única e inovadora para a construção de sistemas tubulares submarinos que podem alterar suas propriedades dinâmicas, particularmente aquelas relacionadas à vibração.

Breve Descrição

[0008] De acordo com certos aspectos da presente descrição, um sistema tubular submarino compreende uma pluralidade de seções tubulares produzidas de um primeiro material e unidas de ponta a ponta para formar um caminho de fluxo para líquidos a partir de um poço submarino e uma pluralidade de seções tubulares de amortecimento de vibração feitas de um segundo material diferente a partir do primeiro material disposto entre as seções tubulares para formar parte do caminho de fluxo. O segundo material possui propriedades mecânicas que amortecem a vibração do sistema tubular quando submetido a correntes submarinas. E embora seja feita referência a poços e à produção de petróleo e/ou gás, a presente invenção pode ser usada para qualquer aplicação submarina desejada, tal como mineração.

DESENHOS

[0009] Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor compreendidas quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência aos desenhos anexos nos quais caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo dos desenhos, em que:

[0010] a Figura 1 é uma ilustração esquemática de um sistema de riser submarino exemplar para amortecimento de vibração, neste caso usado para produção de produtos de poço a partir de um local submarino;

[0011] a Figura 2 é uma ilustração esquemática de um sistema de riser submarino de amortecimento de vibração exemplar na forma de um riser de amarração;

[0012] a Figura 3 é uma ilustração esquemática de um sistema de riser submarino de amortecimento de vibração exemplar na forma de um riser de catenária suportado por boia;

[0013] a Figura 4 é uma ilustração esquemática de um sistema de riser submarino de amortecimento de vibração exemplar compreendendo um riser flexível e um tubo de ponte;

[0014] a Figura 5 é uma ilustração esquemática de um exemplar do Sistema Tubular Submarino de Amortecimento de Vibração entre dois locais ou poços submarinos;

[0015] a Figura 6 é uma ilustração esquemática de certos detalhes de construção de um exemplar do Sistema Tubular Submarino de Amortecimento de Vibração; e

[0016] a Figura 7 é uma representação gráfica de perfis de vibração de um sistema de riser convencional e o sistema de amortecimento de vibração descrito em função da velocidade da corrente submarina.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0017] A presente descrição estabelece modalidades de sistemas tubulares submarinos que incluem recursos que reduzem, atenuam ou amortecem vibrações e/ou oscilações devido a condições dinâmicas, tais como fluxo de fluido interno e correntes submarinas. Em particular, as modalidades compreendem uma ou mais seções de um material de amortecimento de vibração que altera o comportamento dinâmico do sistema geral, de modo a reduzir, eliminar ou alterar as frequências ressonantes em função das correntes submarinas. Nas modalidades contempladas, o restante do sistema pode ser feito de maneiras convencionais e de materiais convencionais. No entanto, como as seções de amortecimento de vibração podem reduzir significativamente o carregamento e as tensões devido à vibração e movimento, o resto do sistema pode realmente ser produzido de materiais menos caros e ainda mais leves (por exemplo, seções de aço com paredes mais finas do que em sistemas convencionais de mesmo comprimento e aplicação).

[0018] Além disso, as aplicações contempladas incluem qualquer instalação onde uma estrutura tubular é estendida até um ponto submarino e exposta a correntes indutoras de vibração. Estes podem incluir produção de petróleo e gás, mineração submarina e assim por diante. As técnicas descritas encontrarão utilidade particular onde correntes significativas ocorrem ou podem ocorrer, tanto de maneiras previsíveis, e às vezes imprevisíveis ou um tanto desconhecidas, e em várias profundidades. Tais correntes podem estar associadas a giros, correntes estáveis conhecidas (por exemplo, a Corrente do Golfo), padrões climáticos únicos e transitórios, correntes de circuito e assim por diante. A título de exemplo, no Golfo do México, a água da Corrente da Flórida encontra a água do Mar do Caribe para formar a Corrente do Circuito do Golfo. Tais correntes podem ser bastante variáveis e até imprevisíveis, e podem se mover ou derivar ao longo do tempo, tanto em suas localizações quanto em suas profundidades. A velocidade das correntes também pode variar muito, como entre alguns quilômetros por hora a velocidades muito mais altas em vórtices que podem se formar.

[0019] Na modalidade ilustrada na Figura 1, um sistema tubular de amortecimento de vibração 10 é mostrado se estendendo a partir de uma embarcação 12 na superfície 14 de um corpo de água, como um oceano ou golfo. A embarcação pode incluir várias instalações e equipamentos, conforme indicado pelo número de referência 16, tais como equipamentos de controle e monitoramento, equipamentos de coleta de produção, equipamentos de manutenção e suporte, alojamentos e assim por diante. Deve ser observado que, embora a presente descrição faça referência a uma "embarcação", isso deve ser entendido como incluindo navios, plataformas, tanto fixas quanto flutuantes, embarcações e plataformas atracadas, navios e plataformas dinamicamente posicionados e assim por diante.

[0020] O sistema 10 se estende até o fundo do mar 18 em uma extremidade oposta. Neste exemplo, o sistema 10 compreende um riser de produção que transporta minerais produzidos (por exemplo, petróleo e/ou gás) a partir de equipamentos submarinos 20 (por exemplo, componentes de cabeça de poço) que cobrem um poço concluído 22. Conforme avaliado por aqueles versados na técnica, o poço é completado com um revestimento de produção 24 que atravessa horizontes de interesse 26 a partir dos quais os minerais são produzidos.

[0021] Na prática, um ou muitos desses risers podem ser instalados entre a embarcação e um ou vários locais no fundo do mar onde os poços foram completados. Esses locais são geralmente um pouco agrupados, mas podem estar a distâncias consideráveis uns dos outros. Além disso, a profundidade da água em que tais instalações podem ser feitas pode variar muito, como entre 152,4 metros (500 pés) e 4.572 metros (15.000 pés) de profundidade. Ainda mais, a embarcação pode ser localizada ou mantida sobre a localização do poço por meio de linhas de amarração (não mostradas) ou pode ser posicionada dinamicamente. Em ambos os casos, no entanto, a embarcação normalmente estará localizada a alguma distância lateralmente do(s) local(is) do poço e pode se mover em relação ao(s) local(is) sob a influência de correntes, condições de superfície e assim por diante.

[0022] Conforme ilustrado na Figura 1, as correntes submarinas 28 fluirão em diferentes profundidades e influenciarão a posição e o comportamento do sistema 10. Conforme discutido acima, tais correntes podem variar em velocidade e profundidade ao longo do tempo e, em muitas aplicações, sua dinâmica precisa não será conhecido a priori. O efeito de tais correntes no sistema 10 irá, consequentemente, variar ao longo do tempo e em pontos ao longo de seu comprimento.

[0023] Na modalidade ilustrada, o sistema 10 compreende seções relativamente longas 30 produzidas de um material convencional, tal como aço. Estes podem ser unidos de ponta a ponta de maneiras convencionais, como por meio de conexões rosqueadas ou soldagem. No entanto, ao contrário dos sistemas convencionais, as seções de amortecimento de vibração 32 são proporcionadas ao longo do comprimento do sistema 10 que alteram a dinâmica em resposta às correntes 28 em diferentes tempos e profundidades. É atualmente contemplado que em um riser de petróleo e gás, por exemplo, uma, duas, três ou mais dessas seções podem ser proporcionadas em diferentes profundidades, três sendo mostradas na Figura 1 a título de exemplo. Também está contemplado que a porção do comprimento total do sistema que compreenderá as seções de amortecimento de vibração será relativamente pequena em comparação com a porção composta por produtos tubulares convencionais. Deve ser observado, no entanto, que onde a vibração e a carga associada podem ser significativamente reduzidas, os materiais convencionais podem ser mais leves, com espessuras de parede mais finas do que as convencionalmente usadas em tais aplicações, permitindo economia de custo e peso.

[0024] A Figura 2 mostra uma instalação semelhante do sistema descrito, neste caso na forma de um riser de amarração 34. Tais risers podem ser fixados à embarcação 12 em um ponto de amarração 36. Tais risers podem compreender geralmente um tubo rígido usado com plataformas flutuantes fixas ou estáveis. Aqui, novamente, o riser 34 inclui seções 32 projetadas para amortecer a vibração em um ou mais pontos ao longo de seu comprimento.

[0025] A Figura 3 mostra outra disposição exemplar em que um riser de catenária 38. Tais risers podem se estender em um perfil geralmente de catenária até o fundo do mar ou, em alguns casos, podem ser parcialmente suportados por uma ou mais boias ou flutuadores 40, resultando em seções curvas 42. Tais risers podem se estender por um comprimento muito considerável tanto em relação à distância do local de fixação submarina quanto à profundidade da água. Como nas modalidades anteriores, o riser 38 compreende seções de amortecimento de vibração 32 ao longo de seu comprimento. Onde as seções curvas 42 resultam de boias ou flutuadores, as seções de amortecimento 32 podem ser proporcionadas acima, abaixo ou acima e abaixo de tais dispositivos.

[0026] A Figura 4 ilustra uma outra modalidade na qual o sistema tubular compreende um riser flexível 44 e um tubo de ponte 46. O riser flexível 44 pode ser mantido em uma posição geralmente vertical por boias ou flutuadores 48. Aqui, novamente, seções de amortecimento de vibração 32 são fornecidas e em sistemas como o da Figura 4, essas seções podem ser incluídas no riser flexível 44, no tubo de ponte 46 ou em ambos.

[0027] Finalmente, a Figura 5 ilustra uma aplicação um tanto diferente na forma de uma linha de fluxo ou tubo de ponte 50 que pode se estender entre dois locais 52 e 54 do equipamento submarino. Tal equipamento pode incluir componentes de cabeça de poço, como coletores, conectores, válvulas e assim por diante. Esses tubos de ponte podem ser pré-fabricados e abaixados no lugar para conexão e podem incluir caminhos um tanto tortuosos, como mostrado na figura. No entanto, em geral, alguma porção da linha de fluxo pode ser exposta a correntes e tais comprimentos podem ser equipados com uma ou mais seções de amortecimento de vibração 32.

[0028] Conforme observado, muitas configurações físicas diferentes podem ser previstas para incorporar as seções tubulares de amortecimento de vibração no sistema geral, e uma tal disposição exemplar é mostrada na Figura 6. Em geral, as seções tubulares que compõem a maioria do comprimento do sistema serão feitas de primeiro material e unidas de ponta a ponta para formar um caminho de fluxo para líquidos a partir de um local submarino. As seções de amortecimento de vibração serão dispostas entre as seções tubulares e farão parte do caminho de fluxo. O material das seções tubulares de amortecimento de vibração é diferente do primeiro material, e sua geometria, dimensões físicas ou outros projetos mecânicos são tais que alteram as características dinâmicas gerais do sistema em comparação com sistemas convencionais de mesmo comprimento total produzidos de apenas o primeiro material, particularmente em resposta às correntes submarinas.

[0029] Na modalidade ilustrada, o sistema inclui seções ou comprimentos 30 do primeiro material, tal como aço, e seções interpostas ou comprimentos 32 do material de amortecimento de vibração, como titânio ou ligas de níquel. Na prática, as seções 30 podem compreender muitas juntas de produtos tubulares padrão (por exemplo, tubo) que são unidos por conexões roscadas convencionais, soldagem e assim por diante. Da mesma forma, as seções interpostas 32 podem compreender uma ou mais juntas do material tubular de amortecimento de vibração. Estes últimos podem ser comprimentos padrão, tal como entre 9,14 metros (30 pés) e 13,72 metros (45 pés) de comprimento, ou podem compreender vários comprimentos padrão ou projetados para propósitos unidos entre si por conexões rosqueadas, acoplamentos, juntas de solda e assim por diante. Além disso, as conexões entre as seções 30 e as seções de amortecimento de vibração 32 podem ser feitas por extremidades rosqueadas convencionais ou para fins especiais, juntas de solda e assim por diante. Também pode ser notado que, embora as seções convencionais 30 possam compreender tubulares de aço com espessuras de parede entre 1/4 de polegada e 1 polegada, onde o sistema descrito permite uma redução suficiente na carga de vibração, tubulares mais leves podem ser usados, tal como com espessuras de parede entre 25% a 40% ou mais abaixo dos projetos convencionais.

[0030] Em uso, as correntes 28 podem formar redemoinhos 56 na medida em que as correntes passam pelo sistema. Claro, as velocidades destes irão variar dependendo de fatores como as correntes persistentes e transitórias (por exemplo, em diferentes profundidades), o fluxo de materiais produzidos através do sistema tubular, a face de impacto apresentada às correntes e assim por diante. Devido à dinâmica do fluxo, como o desprendimento de vórtices, essas correntes 28 e redemoinhos 56 podem resultar em movimento geralmente lateral conforme indicado em geral pelo número de referência 58, que pode variar em frequência, constituindo uma "vibração" conforme usado no presente contexto. Os materiais, comprimentos e outras propriedades mecânicas do sistema, e particularmente as seções tubulares de amortecimento de vibração 32, ajudam a reduzir esse movimento e vibração.

[0031] Em alguns casos, as geometrias, dimensões e projetos das seções de amortecimento de vibração 32 podem incluir não apenas tamanhos e comprimentos padrão, mas outros recursos que auxiliam na alteração da dinâmica do sistema e amortecimento de vibração. Por exemplo, um comprimento superior 60 entre a embarcação e a primeira seção de amortecimento 32 pode ser da ordem de 45,72 metros (150 pés) ou mais fundo no mar, enquanto o comprimento 62 da primeira seção de amortecimento de vibração pode compreender, por exemplo, 1 a 3 (ou mais) juntas de 6,1 metros (20 pés) -12,2 metros (40 pés) de tubulares. As seções subsequentes 30 podem ter comprimentos 64 de centenas a milhares de metros, dependendo do projeto, enquanto as seções de amortecimento subsequentes podem ter comprimentos 66 semelhantes ao comprimento 62. Deve ser notado, no entanto, que esses comprimentos podem diferir entre as aplicações com base nas condições previstas ou estimadas, comprimentos totais do sistema geral, formas e tamanhos totais dos tubulares e quaisquer juntas, e assim por diante.

[0032] Como observado acima, os materiais atualmente contemplados incluem ligas de titânio e ligas de alto níquel. A título de exemplo, outros materiais podem incluir ligas de alumínio. Diâmetros internos exemplares podem estar entre 7,62 a 40,64 centímetros (3 polegadas a 16 polegadas), com espessuras de parede entre 0,95 a 3,81 centímetros (3/8 polegadas a 1 ½ polegada). É contemplado que as propriedades materiais e mecânicas, como o projeto mecânico e o perfil, a densidade e o módulo de elasticidade, farão com que as seções 32 se comportem substancialmente diferente das seções 30 em condições comparáveis e conferirão à estrutura geral um desempenho significativamente diferente, amortecimento de movimento e vibração. Além disso, recursos de design, tais como inclinações de espessura de parede, também podem ser usados para as seções de amortecimento de vibração. Além disso, como observado acima, qualquer número desejado de tais seções pode ser incluído no sistema geral, e estes podem ser colocados em locais e espaçamentos adequados para a aplicação, tais como em comprimentos de dezenas de metros, interpostos entre seções convencionais de centenas ou milhares de comprimento.

[0033] A Figura 7 ilustra graficamente uma comparação exemplar entre vibração ou resposta de frequência de um riser convencional e o sistema atualmente contemplado. Aqui, um traço 68 é mostrado para um sistema convencional, enquanto um traço 70 é mostrado para o presente sistema, com vibração sendo representada ao longo do eixo 72 e corrente ao longo do eixo 74. Em correntes muito baixas 76, ambos os sistemas podem experimentar pouco movimento ou vibração. Na medida em que as correntes aumentam, no entanto, vibrações mais significativas podem ser induzidas no sistema convencional e frequências ressonantes de movimento induzido podem resultar em picos significativos 78 nas correntes correspondentes 80. Na prática, estes podem ser difíceis ou impossíveis de antecipar com precisão e podem ocorrer em diferentes profundidades. É contemplado, no entanto, que o efeito do uso do sistema de amortecimento de vibração "híbrido" compreendendo seções convencionais e seções de amortecimento de vibração resultará em vibração atenuada, conforme indicado pelo número de referência 80, e picos significativamente reduzidos 84. Em muitas aplicações pode-se imaginar que as próprias frequências ressonantes podem ser significativamente diferentes ou completamente eliminadas.

[0034] Embora apenas algumas características da presente invenção tenham sido ilustradas e descritas neste documento, muitas modificações e mudanças ocorrerão aos versados na técnica. Deve, portanto, ser entendido que as reivindicações anexas se destinam a cobrir todas as modificações e alterações que se enquadram no verdadeiro espírito da presente invenção.

Claims

Sistema tubular submarino, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de seções tubulares produzidas de um primeiro material e unidas de ponta a ponta para formar um caminho de fluxo para líquidos de um poço submarino;
uma pluralidade de seções tubulares de amortecimento de vibração produzidas de um segundo material diferente do primeiro material disposto entre as seções tubulares para formar parte do caminho de fluxo;
em que o segundo material tem propriedades mecânicas que amortecem a vibração do sistema tubular quando submetido a correntes submarinas.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções tubulares e as seções tubulares de amortecimento de vibração formam um riser de produção que se estende a partir de uma embarcação de superfície e uma localização de poço submarino.
Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte do riser de produção é suportada por boias.
Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o riser de produção compreende um riser de catenária.
Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o riser de produção compreende um riser flexível e um tubo de ponte e em que seções tubulares de amortecimento de vibração são dispostas em ambos o riser flexível e o tubo de ponte.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções tubulares e as seções tubulares de amortecimento de vibração formam uma linha de fluxo ou tubo de ponte entre duas localizações de poços submarinos diferentes.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções tubulares de amortecimento de vibração são produzidas de uma liga de titânio ou níquel.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das seções tubulares de amortecimento de vibração tem um diâmetro cônico ao longo de seu comprimento.
Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o riser tem um comprimento entre aproximadamente 152,4 metros (500 pés) e 4.572 metros (15.000 pés).
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções tubulares de amortecimento de vibração têm um comprimento entre aproximadamente 9,14 metros (30 pés) e 13,72 metros (45 pés).
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as seções tubulares têm uma primeira espessura de parede e as seções tubulares de amortecimento de vibração têm uma segunda espessura de parede diferente da primeira espessura de parede.