BR112016026033A2

BR112016026033A2 - tubulações submarinas ou enterradas e condutos tubulares separados com líquidos

Info

Publication number: BR112016026033A2
Application number: BR112016026033-3A
Authority: BR
Inventors: Glen R. Sumner
Original assignee: Glen R. Sumner
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2020-11-03
Also published as: EP3140365A4; EP3140365A1; WO2015171902A1; US10260666B2; MY187427A; US20170074446A1; AU2015255929A1; EP3140365B1; AU2015255929B2

Abstract

Um condutor de fluido que está abaixo do solo ou debaixo d?água é separado da água ambiente por uma camada limitada de líquido que pode ser em grande parte indivisível por sólidos. A distância da separação entre os meios de contenção de líquidos e a tubulação ou tubagem é tal que a transferência de calor total por convecção natural e condução da tubulação ou tubagem para o ambiente contendo água é mantida dentro dos limites considerados necessários para isolar adequadamente o conteúdo da tubagem. Um líquido pode ser bombeado entre o tubo e os meios para conter o isolamento de modo a deslocar fluidos de uma tubagem ou um líquido aquecido pode ser bombeado através desse espaço par a aquecer o conteúdo da tubagem. Se o líquido isolante também isola eletricamente o tubo, então o tubo pode ser aquecido por uma corrente passando diretamente através dele.

Description

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -1– Tubulação e Tubagem Submarina ou Enterrada Isolada Com Líquidos

CONTEXTO A. Campo do Invento

[0001] O objeto do presente invento diz respeito a condutores de fluido termicamente isolados expostos à água subterrânea natural ou à água do mar a uma pressão superior à atmosférica. B. Técnica Relacionada

[0002] A necessidade de isolar condutores de fluido submarinos ou enterrados decorre de impedimentos dependentes da temperatura para o fluxo, incluindo alta viscosidade, parafina precipitada, congelamento (por exemplo, hidratos de gás natural, enxofre) ou vaporização de líquidos frios. A temperatura acima da qual muitos dos problemas ocorrem muda com a pressão e pode, em alguns casos, ser alterada pela injeção de produtos químicos na corrente de fluido do fluxo. Condutores de fluido isolantes também podem ser utilizados em qualquer momento que a temperatura de chegada seja importante, por exemplo, quando se transporta vapor ou quando, de outro modo, o líquido precisaria ser reaquecido para processamento.

[0003] A exploração offshore de reservas de hidrocarbonetos continua a avançar para águas mais profundas onde a temperatura ambiente é baixa e a pressão de fluido é elevada. Estas condições aumentam a viscosidade dos fluidos transportados e aumentam as chances de formação de hidratos de gás natural ou de precipitação de parafina na parede interior do condutor. Por essas razões, o isolamento é frequentemente usado em tubulações submarinas que transportam líquidos viscosos ou transportam gás liquefeito entre navios-tanque de GNL e terminais terrestres, em linhas de fluxo que transportam petróleo entre cabeças de poço submersas e plataformas offshore e as cabeças de poço, e em tubulações associadas a esses condutores e linhas de fluxo. O isolamento do condutor de fluido pode assegurar que os fluidos transportados alcancem o seu destino sem exceder uma temperatura na qual os problemas resultantes são suficientemente graves para justificar o custo de isolar a tubulação ou tubagem. Esta temperatura, quer precisamente quantificável ou não, pode ser aqui referida como a "temperatura aguda".

[0004] Os materiais isolantes convencionais normalmente utilizados em pressão atmosférica ambiente ou em torno dela dependem da baixa condutividade térmica dos gases (em comparação com líquidos e sólidos). Para mitigar a convecção térmica, o volume gasoso é dividido em espaços diminutos em sólidos porosos ou entre sólidos finamente divididos, tais como lã mineral ou material particulado. Isso reduz o chamado "comprimento característico", um parâmetro importante na física da convecção. Qualquer convecção que permanece é normalmente considerada apenas como aparece na "condutividade térmica efetiva", um valor que é deduzido usando uma suposição artificial de que toda a transferência de calor é por condução. Aerogels são sólidos microporosos tão finamente divididos que são essencialmente

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -2– gás, e a dimensão dos poros está na ordem do percurso livre médio do gás. Por um fenômeno conhecido como efeito Knudsen, a condutividade térmica destes sólidos microporosos é inferior à condutividade térmica do gás confinado. Estudos mais recentes mostraram que o efeito Knudsen também aparece em sólidos finamente divididos cheios de líquidos.

[0005] Líquidos densos normalmente enchem os anéis entre a tubulação e o invólucro ou entre camadas de revestimento em poços que produzem líquidos e gases de formações geológicas. A finalidade principal destes líquidos densos é manter a pressão do fundo do poço no anel mais elevada do que a pressão do reservatório de modo que os líquidos produzidos se elevem através da tubulação e não dos anéis. Nos últimos anos, alguns fluidos foram desenvolvidos com a finalidade secundária de melhorar propriedades que isolam termicamente a tubulação de produção. Isto foi feito com fluidos que se gelificam a uma temperatura elevada para eliminar a convecção (ver, por exemplo, Patentes US 3.642.624 e 3.831.678, 8.236.736). Mais recentemente, outros fluidos utilizados para esta finalidade permanecem líquidos, mas dependem de uma viscosidade aumentada para mitigar a convecção (Ver, por exemplo, Patentes US

3.618.680, 4.877.542, 8.186.436, 5.707.939, 5.712.228, 7.863.223 e Publicações de Patente US 2004/0087448; 2012/0208728). Concreto isolante também foi proposto para revestimento (Patente US N ° 4.822.422). Tubulação de parede dupla com um anel evacuado é utilizada, às vezes, para melhor isolar a tubulação de produção (veja http://www.offshore- mag.com/articles/print/volume-61/issue-2/news/flow-assurance-vacuum-insulated-tubing- helps-solve-deepwater-production-problems.html)

[0006] As tubagens e tubulações que operam em pressão atmosférica são normalmente isoladas com materiais isolantes convencionais, conforme descrito acima, mas os condutores de fluido instalados sob o solo ou abaixo do nível do mar apresentam problemas especiais. As espumas poliméricas convencionais são, por vezes, cobertas por uma sobrecapa ou cobertura externa de plástico flexível impermeável, mas a profundidade na qual esta pode ser utilizada é limitada pela pressão hidrostática externa à qual o composto de isolamento poroso entrará em colapso. As tubagens isoladas deste modo têm sido afetadas por vazamentos nas juntas de campo ou por furos na sobrecapa.

[0007] Em águas mais profundas, os oleodutos offshore são por vezes isolados pela instalação de espuma celular convencional ou aerogel no anel entre o condutor de fluido e uma tubulação exterior ou invólucro coaxial que resiste ao colapso sob a pressão da água do mar (ver Patente U.S. 6.142.707). A empresa francesa ITP Interpipe SA oferece aerogel encerrado ou isolamento "microporoso sólido" em um anel parcialmente evacuado. (Ver Patente U.S. 6.145.547, Patente Francesa N ° 2.746.891). Esta pressão de gás reduzida diminui ainda mais a condutividade térmica eficaz.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

-3–

[0008] Quanto mais profunda for a carga hidráulica ambiente, mais grosso deve ser o revestimento para resistir à rotura, tornando-o mais pesado e exigindo mais tempo para soldá- los. Se os tubos são enrolados em bobina, a soldagem é feita onshore. Este custo pode ser menor do que a soldagem na barcaça, mas os encanamentos revestidos maiores são muito rígidos para bobina. Em águas muito profundas, onde o comprimento suspenso no processo de configuração é longo e o tubo é espesso, o invólucro resistente à rotura pode tornar o encanamento tão pesado a ponto de ser economicamente inviável para instalar com qualquer equipamento existente. Uma tentativa de reduzir a espessura da parede e o peso do revestimento externo pela pressurização do anel de uma linha de fluxo isolada foi impedida em um projeto em razão de um inesperado aumento no coeficiente de transferência de calor global. Isto foi principalmente um resultado de aumentos no fluxo de calor convectivo nos poros da composição isolante (ver https://www.onepetro.org/conference-paper/OTC-13074-MS).

[0009] Os materiais isolantes à prova d’água e de rotura que podem ser utilizados sob a água sem revestimento à prova de água e de rotura, são conhecidos na técnica anterior para isolar tubagens e condutores submersos. Tais materiais evitam os custos e o peso associados ao uso e à soldadura do revestimento exterior de aço. Estes materiais serão doravante chamados "isolamento úmido" ou "materiais isolantes úmidos". A International Standards Organization está desenvolvendo uma norma intitulada "Revestimentos Isolantes Térmicos Úmidos para Condutores, Linhas de Vazão, Equipamentos e Estruturas Submarinas" (ISO / DIS 12736). Os materiais que foram utilizados incluem borracha, poliuretano, silicone elastômero, polipropileno, betume (ver, por exemplo, Patentes US 6.182.705, 6.155.305, 5.871.034 e 6.092.557), poliestireno e cimento hidráulico (Ver Patente US 5.476.343).

[0010] A fim de reduzir a condutividade térmica, estes materiais isolantes úmidos são por vezes estendidos com pequenas bolhas de ar (em espuma de polímero de alta densidade), cortiça (em ebonite), enchimentos de células fechadas ou esferas resistentes à rotura. Em composições betuminosas, foi proposto que tais cargas celulares podem ajudar a estabilizar fisicamente o betume em temperaturas elevadas (Ver Patente US No. 6.155.305). A economia de custo associada aos tubos de revestimento e à soldagem proporcionada por isolamento úmido é sopesada com a maior condutividade térmica (4 a 5 vezes) e o maior custo por unidade de volume em comparação com o isolamento convencional. Apesar destas desvantagens, tais materiais podem ser rentáveis onde é necessária resistência térmica moderada (o recíproco do coeficiente de transferência de calor) ou onde a água é tão profunda que o peso do isolamento revestido torna a instalação de tubos impossível.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

-4–

[0011] A aderência de materiais isolantes úmidos de modo confiável a materiais adjacentes tem sido um desafio técnico na prática. O isolamento úmido é pré-aplicado às juntas de tubulação individuais, deixando alguns centímetros de tubo liso em cada extremidade para permitir a soldagem de campo dos tubos antes da aplicação do isolamento da junta de campo. Os encanamentos falharam como resultado da entrada de água através da interface do isolamento adjacente aplicado na fábrica. Um consenso surgiu entre as empresas líderes no negócio de exploração e produção de hidrocarbonetos offshore no sentido de que o isolamento úmido deve se ligar a materiais adjacentes de modo a excluir a água das interfaces. Se os tubos são unidos a bordo do lançador de tubulação, o tempo gasto aplicando o isolamento da junta de campo que excede o tempo necessário para soldar os tubos é muito caro.

[0012] Alguns dos materiais isolantes úmidos preferidos, especialmente o polipropileno, são notoriamente antagônicos aos adesivos. A ligação é mais difícil na interface axial das juntas de campo porque esta ligação está sujeita a tensões térmicas cíclicas de longo prazo que podem variar com o raio. Teoricamente, os termoplásticos de fusão a quente podem criar uma ligação integrada e coesa, mas na prática isto é dificultado pelo elevado coeficiente de expansão térmica e baixa condutividade dos materiais. O pré-aquecimento do isolamento aplicado na fábrica leva tempo e o encolhimento ao arrefecer faz com que os materiais se separem na interface a menos que a pressão seja mantida no material da junta de campo até que a ligação se solidifique. Isso torna a ligação coesa uma abordagem dispendiosa quando a tubulação é colocada no mar, especialmente o isolamento grosso. Uma dificuldade única na utilização de materiais betuminosos é que a força da ligação diminui rapidamente quando o betume amacia em temperatura elevada. O isolamento úmido que suporta temperaturas mais elevadas é necessário para poços mais quentes e mais profundos que estão sendo perfurados. A menos que uma nova abordagem seja introduzida, eles custarão ainda mais do que o isolamento úmido da técnica anterior.

[0013] Os condutores isolantes com materiais que mudam de sólido para líquido à medida que a tubulação se aquece (materiais de mudança de fase) são conhecidos na técnica anterior. (Ver Patente US 6.116.290). A essência desta técnica não é a utilização do material de mudança de fase na fase líquida como isolamento, mas sim que o calor latente de derretimento é adicionado ao calor que passa através do isolamento separado que o circunda. Isto prolonga a janela de tempo para injetar produtos químicos inibidores de hidrato ou de cera que permitirão um arranque a frio de linhas de fluxo que transportam hidrocarbonetos. O corolário desse benefício é que mais calor é absorvido pelo material de mudança de fase uma vez que a linha é iniciada, possivelmente requerendo a injeção de mais produtos químicos inibidores de hidrato ou de cera.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

-5–

[0014] Líquidos eletricamente isolantes são contidos no anel entre um tubo submerso e um condutor de transmissão de energia de alta tensão para isolar eletricamente o condutor da água do mar. Em geral, a temperatura aguda limita o comprimento da tubulação, a menos que seja adicionado calor, porque quanto mais longa a linha, mais calor é perdido. Isso, por sua vez, limita a área geográfica que pode ser atendida por uma única plataforma de produção offshore recebendo hidrocarbonetos produzidos de poços satélites no fundo do mar.

[0015] O aquecimento direto é uma técnica em que a tubulação é aquecida passando-se através dela uma corrente elétrica suficiente para criar resistência, aquecendo a própria tubulação. Quando é utilizada corrente alternada, o método também é conhecido como aquecimento por "impedância" (ver Epstein, Fred S. e White, Gary L., Understanding Impedance Heating, Chemical Engineering, pp 112-118, Maio 1996). Isto foi proposto para utilização em condutores com isolamento revestido quando o tubo de linha é eletricamente isolado de um receptáculo eletricamente condutor. Alguns materiais isolantes impermeáveis da técnica anterior (borracha e polipropileno) também são bons isolantes elétricos impermeáveis, razão pela qual não são adicionadas tarefas adicionais ao processo de colocação de tubos. Isso o torna conceitualmente ideal para o aquecimento de tubulação offshore.

[0016] Como a resistividade elétrica do aço é muito menor do que a água do mar, o aquecimento direto pode ser e tem sido usado para aquecer as condutores que são protegidos com ânodos (Lervik, Jens Kristian et al., Direct Electrical Heating of Subsea Pipelines, Proceedings of Third (1993) International Offshore and Polar Engineering Conference, 6 a 11 de junho de 1993, vol. II, pp. 176-184, Ahlen, CH, Electric Heat Tracing of Submarine Pipelines Induction Heating by the Statoil Invented "ITTI"—System, Proceedings of the First (1991) International Offshore and Polar Engineering Conference, 11 a 16 de Agosto de 1991, vol. II, pp. 331-334). Este método é limitado a aquecer a tubulação de um arranque frio porque o custo de gerar calor bastante para aquecer a tubulação e compensar a corrente perdida através de ânodos torna o aquecimento contínuo a longo prazo economicamente não competitivo com isolamento revestido.

[0017] Foi proposto o afastamento dos ânodos em condutores com isolamento úmido (ver Patente US 6.049.657), mas mesmo um pequeno vazamento de corrente numa junta de campo pode ser catastrófico. Até agora, nenhum sistema de isolamento úmido da técnica anterior inspirou confiança para correr-se o risco, em parte porque os materiais isolantes convencionais reduzem o fluxo de calor muito melhor do que os materiais isolantes úmidos que, na maioria das situações reais, o custo aplicado dos materiais de isolamento úmido populares mais o valor presente dos futuros custos de geração de calor seria mais oneroso do que investir em isolamento revestido mais caro, mas muito mais eficaz, e pagando menos para substituir o calor perdido.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -6–

[0018] O chamado "aquecimento ativo" das tubulações por bombeamento de um líquido aquecido por um anel entre uma tubulação de produção e uma cobertura isolada tem sido usado para aquecer as tubulações offshore na técnica anterior a tempo suficiente para permitir "arranques a frio" (ver http://e-book.lib.sjtu.edu.cn/otc- 03/pdffiles/papers/otcl5188.pdf). Em uma variação sobre este tema, foi proposto bombear um líquido aquecido através de um tubo que atravessa um anel isolado (ver Patente US 6.955.221).

[0019] O objeto do presente invento é destinado a reduzir o custo para isolar condutores de fluido em alta pressão ambiente, ou a superar ou pelo menos reduzir um ou mais dos problemas acima expostos.

RESUMO DO INVENTO

[0020] No presente invento, a totalidade ou parte de um condutor de fluido que esteja sob o solo ou debaixo de água é separado da água ambiente por um líquido confinado ou fluido superaquecido, doravante denominado "isolamento líquido", "líquido isolante" ou apenas "líquido". Os fluidos superaquecidos têm muitas das propriedades dos líquidos, mas têm condutividade térmica e características de transporte de gases muito baixas. Para fins deste invento, quaisquer referências a líquidos utilizados como isolamento incluirão fluidos superaquecidos na medida em que isto possa ser aplicado.

[0021] O espaço total ou anel no qual o isolamento líquido está contido pode ser total ou majoritariamente não dividido por sólidos ou talvez contido em sólidos finamente divididos ou "microporosos", onde o termo "microporoso" significa que a dimensão do poro é tal que a condutividade térmica do líquido isolante é mais baixa do que sua condutividade térmica em divisões maiores. Em alguns casos, simplesmente dividir o espaço de contenção em algumas partes pode reduzir a transferência de calor convectivo para pequena fração da transferência de calor condutor. A distância de separação entre os meios de contenção de líquido e o condutor de fluido e o número de divisões dentro desse espaço é tal que a transferência de calor total por convecção natural e condução da tubagem para o ambiente contendo água é mantida dentro dos limites do design para isolar o conteúdo.

[0022] Um isolamento líquido pode ser bombeado entre o condutor de fluido e os meios para conter o isolamento de modo a deslocar o conteúdo de um condutor de fluido, ou um líquido aquecido pode ser bombeado através desse espaço para aquecer o conteúdo do condutor de fluido. Se o líquido isolante também isola eletricamente o condutor de fluido, então o condutor de fluido pode ser aquecido passando uma corrente diretamente através do condutor de fluido.

[0023] O resumo anterior não pretende resumir cada concretização potencial ou cada aspecto do presente invento.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -7–

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0024] A Figura 1 mostra um condutor de fluido tendo isolamento líquido de acordo com o presente invento.

[0025] As Figuras 2 e 2a-c mostram uma junta de campo de tubagem submarina ou enterrada com um material isolante líquido separado da água do mar por uma membrana flexível (contida em uma luva cilíndrica) que transmite a pressão hidrostática ambiente.

[0026] A Figura 3 mostra outra junta de campo de tubagem submarina ou enterrada com um material isolante líquido separado da água do mar por uma membrana flexível (contida em uma luva fendida) que transmite a pressão hidrostática ambiente.

[0027] As Figuras 4a-c mostram a sequência de instalação para a junta de campo da Figura

3.

[0028] A Figura 5 mostra uma tubulação submarina ou enterrada com um tubo de transporte dentro de um tubo de revestimento mantido concêntrico por espaçadores para criar um anel que é preenchido com um líquido isolante que não é particionado ao longo de seu comprimento.

[0029] A Figura 6 mostra uma tubulação submarina ou enterrada com um tubo de transporte dentro de um tubo de revestimento mantido concêntrico por espaçadores para criar um anel que é preenchido com um líquido isolante. O anel é particionado ao longo de seu comprimento e cada seção particionada inclui uma membrana flexível que transmite a pressão ambiente para o líquido isolante da seção.

[0030] A Figura 7 é uma tubulação submarina ou enterrada similar àquelas das Figuras 5 ou 6 com um cilindro fino que divide o anel entre o tubo de transporte e o tubo de revestimento em duas partes para reduzir a convecção radial.

[0031] A Figura 8 mostra uma tubulação submarina ou enterrada semelhante àquelas das Figuras 5 ou 6 com uma divisão fina ondulada que divide o anel entre o tubo de transporte e o tubo de revestimento em dois segmentos radiais para reduzir a convecção circunferencial.

[0032] A Figura 9 é um esquema de uma tubagem submarina ou enterrada de acordo com o presente invento, tendo uma bomba ligada ao anel da tubagem para mover um fluido benigno através do anel e tendo uma válvula que alimenta o tubo de transporte. Isto permite ao operador deslocar ou diluir os fluidos produzidos na tubagem antes da tubagem ser fechada, e assim eliminar os problemas de precipitação de cera, alta viscosidade em baixa temperatura ou a formação de hidratos quando o conteúdo arrefecer. O líquido isolante pode ser o mesmo ou diferente do líquido utilizado para deslocar o líquido isolante para dentro do tubo de transporte, e este líquido também pode ser aquecido. Também é possível ligar o tubo de transporte da plataforma para conduzir o líquido isolante de volta para o interior do anel antes de reiniciar o fluxo do poço.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -8–

[0033] A Figura 10 é um esquema de uma tubagem submarina ou enterrada de acordo com o presente invento, com o tubo de transporte eletricamente conectado a um gerador que faz com que a corrente eléctrica flua através do tubo de transporte e cause aquecimento direto ou impedância do tubo de transporte. O isolamento líquido (4) é também um material isolante elétrico. O trajeto de retorno da corrente elétrica é o revestimento.

[0034] A Figura 11 é um esquema de uma tubagem submarina ou enterrada de acordo com o presente invento, com um percurso de retorno de fluxo de corrente eléctrica através de eletrodos de água do mar para o solo.

DESCRIÇÃO DETALHADA A. Tubulação com Isolamento Líquido

[0035] A Figura 1 mostra um condutor de fluido isolado (100) de acordo com o presente invento. Este condutor de fluido (100) inclui um ou mais condutos de fluido (110) cercados por isolamento líquido (130) em um recipiente (140). O conduto de fluido (110) pode ser tubo de transporte, de revestimento, de pressão, de fluxo, de elevação, válvula, bloqueador, para prevenir explosões ou similares. Em geral, os condutos (110) podem ser compostos de qualquer material adequado. O isolamento convencional (120) também pode ser incluído. O contentor (140) pode ser um invólucro inflexível resistente à rotura ou pode ser feita de material flexível, de modo que o colapso sob pressão atmosférica mais alta que a ambiente seja combatido, pelo menos parcialmente, pelo isolamento líquido (130). Os meios de contenção são utilizados essencialmente para conter o isolamento líquido (130) e resistir a impactos e danos durante a instalação e utilização, mas, como é ilustrado nas outras figuras, estas duas funções podem ser atendidas por duas partes diferentes, por exemplo, um revestimento mais ou menos rígido e uma membrana, como uma bexiga, que transmite a pressão ambiente para o isolamento líquido.

[0036] Como o próprio nome indica, o isolamento líquido (130) isola termicamente o fluxo no diâmetro (112) dos condutos (110) a partir do ambiente, que pode ser mais alto do que a pressão atmosférica. B. Desvantagem do Isolamento Líquido

[0037] Como materiais isolantes, os líquidos compartilham de desvantagens conhecidas associadas tanto com gases (fluxo convectivo de calor e necessidade de contenção) quanto com os sólidos (condutividade maior do que gases). Na medida que a convecção natural do fluido tem sido um fator conhecido da redução do desempenho da tubulação submarina e isolamento da tubagem da técnica anterior, sempre foi em gases, geralmente finamente dividido em pequenas células ou bolhas no material isolante.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 -9– C. Vantagem do Isolamento Líquido

[0038] Apesar de suas conhecidas desvantagens, líquidos têm benefícios peculiares para o isolamento de condutos submarinos ou enterrados que têm sido negligenciados até agora, e não estão prontamente evidentes para os peritos na arte de construir ou utilizar tubulações ou tubagens submarinas ou enterradas.

[0039] A maioria das tubulações submarinas ou enterradas está associada com a produção de petróleo e gás. Assim, enquanto as empresas de construção trabalham em mais de uma indústria, os especialistas em dutos estão normalmente familiarizados com esse amplo mercado. No entanto, produção de petróleo e gás é apenas um segmento da indústria de petróleo e gás, que é uma integração vertical de indústrias que lidam com produtos petrolíferos. As maiores divisões são os segmentos do "upstream" (exploração e produção), "midstream" (transporte e distribuição) e "downstream" (petroquímica e refino). Mesmo as empresas que operam em mais de um segmento geralmente fazem negócios em cada segmento de divisões corporativas separadas.

[0040] Como é evidente nos nomes, estes amplos segmentos da indústria estão subdivididos. Linhas de fluxo offshore e equipamentos de cabeça de poço entram no lado da produção da categoria exploração e produção, enquanto tubulações maiores se enquadram no lado do transporte da categoria transporte e distribuição. O negócio de perfuração de poços entra na classe de exploração da categoria produção e exploração, e posteriormente é dividido em offshore e offshore drilling (perfuração no mar). Os fluidos de perfuração formar uma linha de negócios significativos em si mesmos dentro do segmento de exploração e têm pouca aplicação em outros segmentos. Equipamento de cabeça de poço funciona tanto na exploração quanto na produção, mas a perícia reside com pessoas qualificadas na arte da fabricação pesada, enquanto aqueles que projetam e instalam dutos submarinos e tubulações são hábeis na arte da engenharia e construção. Aqueles que perfuram poços são hábeis na arte específica da perfuração.

[0041] Os mercados associados a esses segmentos são tão distintos entre si que muitas empresas que servem um segmento não se aventuram em mercados similares em outros segmentos. Por exemplo, as grandes empresas que aplicam revestimento no interior de tubos de perfuração são diferentes (e, geralmente, não competem com) as empresas que aplicam revestimento anticorrosivo no exterior de tubos de transporte. Da mesma forma, as empresas que fazem tubagem com isolamento a vácuo raramente, ou nunca, venderam para o isolamento de linhas de fluxo, mas uma empresa totalmente independente (ITP Interpipe SA) foi capaz de explorar uma patente de tubos isolados com isolamento convencional em um anel parcialmente evacuado.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

- 10 –

[0042] Os produtos de isolamento de tubos para linhas de fluxo e tubulações evoluíram a partir do negócio de aplicação de revestimentos anticorrosivos porque os clientes eram os mesmos para ambos os negócios. Portanto, as empresas que aplicam revestimento anticorrosivo externo estavam bem posicionadas para isolar tubulação quando surgiu a necessidade, porque eles presumivelmente sabiam como colocar materiais sólidos na tubulação em produção de alto volume. As empresas de revestimento externo veem sua função como "aplicadores", não como fabricantes de materiais de revestimento, químicos, ou engenheiros de design petrolífero. A mesma lógica se aplica àqueles no ramo da fabricação de equipamentos de cabeça de poço, enquanto as empresas fazendo fluidos de perfuração estão concentradas em preencher uma necessidade primária em seu mercado que não existe no negócio de tubulação.

[0043] As companhias de petróleo e gás têm o menor número de empregados por dólar em receita de qualquer grande indústria, e geralmente têm orçamentos de pesquisa e desenvolvimento muito mais baixos também. Eles veem o seu negócio como a produção e o refino de hidrocarbonetos e produção de energia, e não o isolamento de dutos ou o desenvolvimento de produtos relacionados. Em vez disso, escolhem os produtos entre os oferecidos por fornecedores e empreiteiros a quem eles veem como especialistas em seu campo, e que podem entregar e confiar em seus produtos e serviços. Eles são muito avessos ao risco, devido às enormes quantidades de capital próprio em jogo. Nada é óbvio até passar por testes prolongados ou utilização prévia, e esta mesma atitude se aplica aos empreiteiros que utilizam. Esta postura é, portanto, adotada pelos contratantes que projetam campos de petróleo e instalam tubulações. As propriedades que afetam a transferência de calor em fluidos que são mais sensíveis à pressão são a densidade e viscosidade da condutividade térmica. Todas estas três propriedades aumentam com a pressão. No entanto, a condução é proporcional à condutividade térmica enquanto a convecção diminui com a viscosidade e condutividade térmica, mas aumenta com a densidade.

[0044] A falha no isolamento da linha de fluxo em um anel pressurizado descrito acima resultou da falha em entender inteiramente que a "condutividade" do isolamento convencional é, na verdade, um valor "efetivo" baseado em uma combinação de convecção e condução. Supunha-se que porque a condutividade térmica dos gases é apenas debilmente dependente da pressão, a pressurização do anel para reduzir o diferencial de pressão com água do mar ambiente (e, portanto, o peso do invólucro) teria apenas um efeito nominal sobre a perda de calor. No entanto, porque os gases são altamente compressíveis, a mudança na densidade é muito maior do que a alteração de condutividade térmica e a viscosidade, e a perda de calor através do isolamento foi muito maior do que o previsto. Talvez porque esta nova consciência veio mais ou menos simultaneamente com a introdução da espuma convencional em um anel parcialmente evacuado pela ITP, um ponto de vista predominante tem-se criado para muitos daqueles peritos na arte do design de tubulação offshore. Esse ponto de vista é simplesmente que o aumento da pressão aumenta a transferência total de calor e, com a pressão decrescente, a WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 11 –

transferência total de calor diminui. Isto é válido para os gases, mas tal como será demonstrado mais tarde, o efeito pode ser trivial ou mesmo revertido em líquidos.

[0045] No contexto das experiências e divisões industriais descrito acima, é contra-intuitivo para os especialistas na arte de projetar e instalar tubagem offshore e tubulações para projetar e construir uma tubulação com contenção para isolamento à prova de vazamentos, e não aproveitar as vantagens da conhecida alta resistência térmica dos materiais de isolamento convencionais, e é também contra-intuitivo usar um fluido que não é finamente dividido e nem gasoso. No entanto, como o inventor reconheceu exclusivamente, o uso de líquidos para o isolamento de tubagem submarina oferece diversas vantagens sobre as formas convencionais de isolamento de tubagem da técnica anterior, e há diferenças físicas entre o uso de líquidos para isolar tubagem de produção em um poço e um oleoduto. Num poço, a tubagem é removível e o revestimento permanente e suportado pela terra. Em um oleoduto, o tubo ou conduto a ser isolado é submerso e rodeado por água no meio ambiente. Em um oleoduto, o tubo ou conduto também está mais ou menos permanentemente conectado aos meios que contém o isolamento líquido (isto é, o recipiente externo para o conduto). Várias das vantagens do isolamento líquido para oleodutos são discutidas nos parágrafos seguintes.

[0046] Uma das vantagens do isolamento líquido em um ambiente pressurizado é que a pressão geralmente terá um impacto relativamente pequeno sobre a perda de calor e pode, de fato, diminuir a perda de calor em alguns casos. Isto não está evidente para a maior parte dos especialistas na arte dos oleodutos offshore ou tubagem submarina pelas razões descritas acima. Uma vez que muitos líquidos são apenas ligeiramente compressíveis, o aumento da densidade é menor e a dependência de pressão e temperatura de condutividade térmica (comparadas com a viscosidade) são relativamente insensíveis às mudanças de temperatura e pressão.

[0047] Acima da temperatura em que a convecção se torna uma fração significativa da perda de calor total, aumentos na condução devido ao aumento de condutividade térmica com pressão é contrabalançado por reduções nas convecção. Consequentemente, a diminuição na perda de calor devido ao aumento na viscosidade com a pressão pode afetar a transferência total de calor tanto quanto ou até mais do que o aumento correspondente na densidade e condutividade, escolhendo líquidos com a combinação certa de propriedades para a aplicação. Isto, por sua vez, permite pressurizar o anel para reduzir o custo, o peso do tubo de revestimento e o tempo necessário para soldar offshore.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 12 –

[0048] Uma outra vantagem de utilizar líquidos para isolar condutos de fluido sobre o isolamento convencional revestido é que o espaço não precisa ser tão finamente dividido em líquidos como em gases. Isto porque a maior viscosidade e condutividade térmica de líquidos contrabalanceia a influência do chamado "comprimento característico" na convecção. O resultado é que, em muitas condições comuns, o anel não precisa ser absolutamente dividido, o que simplifica o processo de fabricação. Em temperaturas mais elevadas, ou onde um anel mais grosso é necessário para manter a condução baixa o suficiente, simplesmente dividir o anel em algumas partes muitas vezes atingirá o objetivo.

[0049] Outra vantagem do isolamento líquido é que pode ser balanceado com a pressão e a água do ambiente para eliminar a força motriz de vazamentos. Quando comparado ao isolamento úmido da técnica anterior, a necessidade de conter o líquido não introduz nenhum novo problema de vazamento porque os materiais de isolamento úmido devem ligar-se a sólidos adjacentes para resistir à entrada de água. Se a pressão ambiente é transmitida através do isolamento líquido, a única tensão na interface com materiais sólidos é compressiva e igual à pressão ambiente, não deixando nenhuma pressão para causar vazamentos, nenhum espaço para vazamentos, e nenhuma necessidade de vínculo difícil de constituir com os sólidos adjacentes.

[0050] Em outra vantagem, a tensão interfacial de superfície pode ser utilizada como um bloqueio d’água inerente, onde a pressão de isolamento é muito próxima à pressão ambiente. A densidade dos líquidos isolantes pode ser controlada com aditivos em uma determinada temperatura para alcançar este fim. É verdade que a densidade não pode ser exatamente igualada à densidade da água do mar através de uma vasta gama de temperatura e de pressão de modo que de cima a baixo da cabeça do isolamento líquido no interior dos meios de contenção será ligeiramente diferente que a mudança na cabeça de água do mar adjacente. Mesmo assim, não pode haver qualquer fluxo através de um furo ou fenda em nenhuma direção se a área de abertura, multiplicada pela diferença de pressão é menor do que a tensão superficial interfacial multiplicado pelo perímetro da abertura. Alguns líquidos de baixa condutividade são tanto impermeáveis e hidrofóbicos o suficiente que é facilmente viável manter a pressão dentro e fora do tubo dentro de uma faixa em que a força natural da tensão superficial interfacial irá impedir vazamentos mesmo através de furos com vários milímetros de diâmetro. Os meios de contenção podem ser particionados para manter o diferencial de pressão dentro da faixa para diferenças maiores na elevação que vierem a ocorrer, por exemplo, em um tubo de elevação. O resultado pode ser a resistência inerente a vazamentos através de pequenos furos ou fendas.

[0051] Outra vantagem na utilização de líquidos para isolamento de condutos de fluido é que a temperatura máxima de funcionamento sustentável de muitos líquidos com propriedades isolantes adequadas é mais elevada do que a temperatura em que os materiais populares de isolamento úmido da técnica anterior começam a se decompor. Portanto, líquidos têm potencial para isolar condutos mais quentes do que o isolamento úmido da técnica anterior.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 13 –

[0052] Em outra vantagem, os líquidos podem ser bombeados para dentro dos meios de contenção durante ou após a instalação da tubulação ou oleoduto. Isto poderia ser particularmente útil para fazer juntas de campo. No caso de tubagem de aparelhos submarinos, um líquido isolante à prova d’água que é mais ou menos denso do que a água do mar pode ser injetado em um contentor de fundo aberto ou de topo aberto que circunda o aparelho depois de todo o conjunto ser submerso. Por exemplo, seria muito mais fácil circundar um conjunto inteiro de condutos de fluido com uma geometria complicada do que aplicar uma espessura uniforme de isolamento úmido como é feito na técnica anterior. Esta é uma maneira muito fácil, removível e não invasiva para isolar os dutos utilizados em árvores de produção submarinas, tie-in sleds ou manifolds. Se o líquido é bombeado para um anel em um conduto revestido quando ou após o conduto é instalado, não haverá descontinuidade no isolamento na junta de campo.

[0053] Outra vantagem de isolamento líquido para condutos de fluido é que não há necessidade de um revestimento primário sobre o exterior do tubo se o líquido isolante não for corrosivo. Isso economiza tempo e reduz o custo de revestimento e transporte.

[0054] Outra vantagem do isolamento de condutos de fluido com líquido é que o processo de fabricação é montagem simples que requer pouca habilidade ou equipamento de aplicação especial. Pode ser feito em qualquer estaleiro de fabricação que tenha capacidade adequada de manuseio e armazenamento de tubos, e, se o isolamento líquido é injetado após uma tubulação estar instalada, o tempo na barcaça para a fabricação da junta de campo é reduzido apenas para o da ligação dos tubos de revestimento. A junta de campo e o isolamento de oleoduto são a mesma coisa.

[0055] Outra vantagem do isolamento líquido sobre o úmido da técnica anterior é que os líquidos são mais adequados para o aquecimento direto. O menor custo de isolamento e a menor perda de calor combinados com a eliminação de preocupações sobre eletrólise resultante de vazamentos na junta de campo poderia fazer o aquecimento direto contínuo de oleodutos isolados com líquido menos caros que isolamento revestido convencional.

[0056] Por fim, outra vantagem é que um líquido aquecido pode ser obrigado a fluir através de um espaço entre os meios de contenção e o conduto de fluido para ser aquecido e isolado, de modo a aquecer o conduto de fluido, e o mesmo líquido ou um líquido diferente pode ser contido no mesmo espaço para isolar a conduta de fluido em seguida. Isto pode ser particularmente útil para o aquecimento de linhas de fluxo offshore.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 14 – D. Materiais de Isolamento Líquido Adequados

[0057] A discussão agora se volta para materiais de isolamento líquido adequados. Pelas razões descritas acima, o calor que flui através de um material pode ser menor do que em outro material em algumas condições, e não em outras, mesmo que com a mesma geometria, porque as propriedades mudam com a temperatura e a pressão. Propriedades importantes não relacionadas diretamente ao fluxo de calor incluem limites de temperatura operacional, preço, toxicidade, odor, corrosividade e disponibilidade. Propriedades dielétricas podem ser importantes para oleodutos que empregam aquecimento direto. A curva de viscosidade ideal pode depender se o líquido será bombeado a uma grande distância para dentro do receptáculo durante ou após a instalação.

[0058] Tanto a condutividade térmica quanto elétrica diminuem com o espaço entre as moléculas para uma determinada frequência de vibração molecular. Plastificantes fazem materiais frágeis mais flexíveis, porque aumentam o “espaço livre” entre as moléculas. Não surpreende que plastificantes líquidos apresentem baixa condutividade térmica, e muitos deles também são bastante viscosos. Da mesma forma, líquidos que têm boas propriedades dielétricas muitas vezes também têm baixa condutividade térmica, e alguns também têm alta viscosidade. Portanto, faz sentido considerar líquidos viscosos conhecidos por serem utilizados como plastificantes ou fluidos dielétricos, incluindo o polibuteno e vários ésteres.

[0059] Polibuteno (também chamado poliisobutileno ou PIB) é uma família de hidrocarbonetos sintéticos com preços moderados utilizados como plastificantes, “adesivadores” e fluidos dielétricos. A viscosidade pode ser cuidadosamente controlada em uma ampla diversidade pela variação do peso molecular. Polibutenos também são hidrofóbicos, tem densidade próxima à da água, a sua condutividade térmica é inferior à de materiais sólidos de isolamento úmido da técnica anterior. São estáveis em uma ampla variedade de temperaturas e têm toxicidade oral muito baixa.

[0060] Os ésteres utilizados como plastificantes incluem sebacatos, adipatos, tereftalato, dibenzoatos, gluteratos, ftalatos e azelatos, benzoatos e trimelitatos. Alguns têm baixa condutividade térmica e muitos são bem viscosos também. Ftalato de diisodecilo e ftalato de dioctilo são os materiais sólidos de isolamento úmido menos condutores atualmente no mercado. Suas densidades são próximas à da água. Eles estão disponíveis em grande quantidade a preços moderados e têm toxicidade aceitavelmente baixa. Alguns fluorocarbonos usados como refrigerantes têm condutividade térmica consideravelmente mais baixa do que qualquer dos materiais acima, mas sua viscosidade é tal que teriam de ser finamente divididos para prevenir a convecção. Alguns outros líquidos de baixa condutividade são tóxicos e alguns são instáveis ou mesmo explosivos.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 15 –

[0061] Os materiais utilizados como líquidos eletricamente isolantes incluem óleos minerais leves, n-hexano e n-heptano, hidrocarbonetos sintéticos incluindo o polibuteno, óleos vegetais incluindo óleo de rícino e óleo de girassol alto oleico, óleos de soja e seus ésteres. Os ésteres sintéticos e os fluidos à base de silicone, tais como silanos, siloxanos como polidimetilsiloxano, são geralmente mais caros do que alguns fluidos dielétricos com menor condutividade térmica. Os benefícios que podem justificar o custo mais alto de materiais à base de silicone são que a viscosidade muda menos com a temperatura do que a maioria dos outros líquidos e pode ser controlada na fabricação, são estáveis em uma ampla faixa de temperatura e alguns são muito hidrofóbicos.

[0062] Considerando que a relação custo-eficácia global é o condutor final de quais materiais são mais adequados, alguns materiais menos dispendiosos podem funcionar como as melhores escolhas em alguns casos. Estes incluem certos óleos de madeira e derivados de óleo de madeira tais como rosinato de tall oil, colofónia líquida e ácidos graxos. Os líquidos isolantes de menor custo podem ser óleos brutos pesados não refinados e óleos combustíveis, incluindo óleos de petróleo convencionais e biocombustíveis. Para linhas de fluxo de poços de produção, o produto bruto produzido que foi processado para remover água e cera tem a vantagem de estar disponível no local.

[0063] Os materiais isolantes líquidos descritos acima e outros podem ser misturados ou modificados com outros aditivos conhecidos na técnica para controlar a viscosidade ou a densidade.

[0064] Alguns materiais que são gases ou líquido em condições normais têm condutividade térmica muito baixa em seus estados supercríticos, mas devem ser finamente divididos com materiais como sólidos microporosos ou espuma mais convencional a serem usados em condições supercríticas. Exemplos de tais líquidos isolantes (fluidos supercríticos) incluem metano, árgon e dióxido de carbono, que podem de fato ser uma parte refinada da corrente de produção que é transportada pelo conduto isolado.

E. Concretização de Condutos de Fluido Isolados com Isolamento Líquido

[0065] As Figuras de 2 a 11 ilustram várias arranjos para isolar condutos com líquido. Será entendido com o benefício do presente invento, que os ensinamentos do isolamento líquido aqui divulgados podem ser aplicados a outras formas de condutores de fluido, incluindo, entre outros, a tubulações, oleodutos, linhas de fluxo, condutos, tubos de elevação, válvulas, bloqueadores, cabeças de poço, para prevenir explosões e similares.

[0066] A Figura 2 mostra uma junta de campo de tubulação submarina isolada em três estágios de montagem. A Figura 2a mostra que antes dos tubos (1) serem soldados entre si, uma luva (6) e uma membrana flexível (4) são deslizadas sobre o isolamento aplicado na fábrica (2) em um dos tubos (1).

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 16 –

[0067] A Figura 2b mostra que após a soldagem dos tubos (1), a membrana flexível (4) e a luva (6) são movimentadas axialmente de modo a encerrar um anel entre o isolamento sólido pré- aplicado (2). O anel é então preenchido com isolamento líquido (3) através de uma entrada de enchimento (5), que pode ser acessada por uma janela ou abertura na luva externa (6).

[0068] A Figura 2c mostra a junta de campo após o isolamento líquido (3) ter preenchido o anel. Um fechamento (9) para a entrada de enchimento (5) é selado, e a luva (6) é posicionada fixada no lugar por meios de fixação (7). Na configuração final, a membrana (4) serve para separar o isolamento líquido (3) da água ambiente (8) e transmite a pressão ambiente para o líquido isolante (3) para minimizar qualquer pressão diferencial que possa causar um vazamento. A luva (6) serve para resistir a impactos externos e cargas de contato durante e após o isolamento. A membrana (4) pode ser uma bexiga, um fole ou um diafragma, e em alguns casos a função da membrana (4) pode ser cumprida fazendo-se a luva (6) de um material elástico ou viscoelástico.

[0069] A Figura 3 mostra uma junta de campo montada em um conduto submarino ou oleoduto. Esta junta de campo difere da junta de campo na Figura 2a-c pelo fato de o diâmetro externo da junta ser substancialmente o mesmo que o do isolamento pré-aplicado (2) de modo a minimizar o impacto durante os processos de instalação dos tubos. Uma membrana flexível (4) completa um espaço circular delimitado pelo isolamento pré-aplicado (2), a membrana flexível (4) e os tubos (1).

[0070] A membrana (4) na Figura 3 serve para separar fisicamente o isolamento líquido (3) da água ambiente (5). Aqui, a membrana (4) é rodeada e protegida de cargas externas por meios reservatórios (6 e 7) que são capturadas e suportadas numa extremidade por um anel (8) e na outra extremidade por um anel roscado (9) que é acoplado a um adaptador roscado (10). O adaptador roscado (10) também está acoplado a um anel roscado (11). A coleira (11) e o anel (8) entram em contato e são suportados pelo isolamento pré-aplicado (2). Um ou mais elementos de fixação (12) impedem a rotação do anel roscado (9) de modo que o conjunto permanece suportado pelo isolamento pré-aplicado (2). A membrana (4) pode ser uma bexiga, um fole ou um diafragma, e pode ser montada e preenchida da mesma maneira descrita acima. As Figuras 4a-c ilustram a sequência de instalação para esta junta de campo.

[0071] A Figura 4a mostra que antes dos tubos (1) serem soldados entre si a membrana flexível (4) é deslizada sobre o isolamento pré-aplicado (2). O anel (8) e os componentes roscados (anel roscado 9, adaptador 10 e coleira 11) são deslizados sobre os tubos (1).

[0072] A Figura 4b mostra que, após os tubos (1) serem soldados entre si, a membrana flexível (4) é movida axialmente para a sua posição final para criar uma área circular selada.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 17 –

[0073] A Figura 4c mostra que os reservatórios (6 e 7) são então instalados. As roscas fêmea no anel roscado (9) e no anel (11) o lado oposto. Quando o adaptador (10) é rodado, todo o conjunto roscado prolonga-se até que o anel (8) e a coleira (11) estejam firmemente acomodados no isolamento pré-aplicado (2).

[0074] A rotação relativa dos componentes roscados (9, 10 e 11) é então assegurada por meios de fixação, tais como parafusos de bloqueio (12) ou similares. O isolamento líquido (3) é então bombeado através de uma entrada de enchimento (13). Quando o anel está cheio, a entrada de enchimento (13) é finalmente selada com um fecho (14).

[0075] A Figura 5 ilustra uma porção de outro condutor de fluido de acordo com o presente invento. Uma tubagem (1) situada no leito do mar (2) compreende um tubo de linha (3) rodeado por isolamento líquido (4) e um tubo de revestimento (5) maior. O tubo de revestimento (5) está ligado ao tubo de linha (3) com suportes mecânicos (6) que mantêm o tubo (3) e o tubo de revestimento (5) numa posição radial axial fixa e (mais ou menos) concêntrica. Alguns ou todos estes suportes (6) transmitem cargas de cisalhamento suficientes do tubo de linha (3) para o tubo de revestimento (5) de modo que a tubagem (1) possa ser instalada sem movimento axial relativo entre os tubos (3) e (5). Os suportes (6) permitem que o isolamento de líquido (4) contido no anel entre o tubo de linha (3) e o tubo de revestimento (5) se comunique axialmente ao longo da tubagem (1) para a superfície, de modo que a pressão no anel seja igual à cabeça do isolamento líquido (4). Isto pode reduzir a diferença de pressão entre a água do mar ambiente no ambiente circundante e o líquido isolante (4) no interior do anel.

[0076] A Figura 6 ilustra uma porção de outro condutor de fluido de acordo com o presente invento. A tubagem (1) situada no leito do mar (2) compreende um tubo de linha (3) rodeado por um isolamento líquido (4) contido num tubo de revestimento (5) maior. O tubo de revestimento (5) está ligado ao tubo de linha (3) com suportes mecânicos (6) que mantêm os tubos (3 e 5) numa posição radial axial fixa e (mais ou menos) concêntrica. Alguns ou todos estes suportes (6) transmitem cargas de cisalhamento suficientes do tubo de linha (3) para o tubo de revestimento (5) de modo que a tubagem (1) possa ser instalada sem movimento axial relativo entre os tubo de linha (3) e o tubo de revestimento (5). Esta tubulação (1) difere da que está na Figura 5 pelo fato de serem instalados anéis concêntricos (9) para compartimentar longitudinalmente o isolamento líquido (4) contido no anel entre o tubo de linha (3) e o revestimento (5). Cada compartimento circular inclui uma membrana flexível (8) que separa o isolamento líquido (4) da água ambiente (9) e transmite a pressão ambiente para o líquido isolante (4). Os compartimentos circulares são preenchidos por aberturas (7) no receptáculo (5). A membrana (8) pode ser uma bexiga, um fole ou um diafragma, e em alguns casos a função da membrana (8) pode ser cumprida pelo receptáculo (5) fazendo-o de um material elástico ou viscoelástico.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 18 –

[0077] Na Figura 7, o condutor de fluido de acordo com o presente invento é uma tubagem (1) como na Figura 5 compreendendo o tubo de linha (3) com o tubo de revestimento (5) encerrando isolamento líquido (4) que pode ser como a tubulação das Figuras 5 ou 6 com a adição de um ou mais cilindros de parede fina (9) que dividem o anel entre os espaçadores (6) em dois ou mais anéis concêntricos. Estes cilindros finos (9) servem para reduzir o comprimento característico radial do volume de líquido para reduzir a convecção térmica. Algumas portas de comunicação podem ser proporcionadas na parede dos cilindros (9) para permitir uma limitada comunicação do isolamento líquido (4) entre os anéis concêntricos.

[0078] Na Figura 8, um condutor de fluido de acordo com o presente invento inclui uma tubagem (1) como a das Figuras 5 ou 6, compreendendo o tubo de linha (3) com o tubo de revestimento (5) envolvendo isolamento de líquido (4) com a adição de uma divisória ondulada fina (9) que divide o anel em segmentos para reduzir o comprimento característico circunferencial do volume de líquido para reduzir a convecção térmica. A divisória ondulada (9) pode também servir como suporte mecânico (6) entre o tubo de linha (3) e o tubo de revestimento (5). Uma modificação semelhante pode ser feita aos outros condutores de fluido aqui revelados. Uma combinação de qualquer das divisórias axial e radial das Figuras 5 a 8 pode ser utilizada em conjunto para reduzir a convecção radial e circunferencial.

[0079] A figura 9 ilustra outro condutor de fluido de acordo com o presente invento, que pode ser semelhante a outras tubagens (1) aqui descritas, tal como na Figura 5. Uma bomba (5) é ligada ao anel (6) entre o conduto de fluido e o revestimento para mover um fluido benigno através do anel (6) e depois através de uma válvula (7) para dentro do tubo de linha (3) para deslocar os fluidos normalmente transportados da tubagem (1). Idealmente, o "fluido benigno" pode ser um fluido que pode ser bombeado em temperatura ambiente da água do mar. No cenário mais simples, o fluido benigno é também o líquido isolante. Por exemplo, o petróleo bruto produzido feito benigno na plataforma offshore, removendo parafina e água, pode servir a ambos os fins, se armazenado no tanque de um navio de armazenamento flutuante até que seja necessário.

[0080] O líquido isolante no condutor de fluido na Figura 9 pode ser o mesmo ou diferente do líquido utilizado para deslocar o líquido isolante para dentro do tubo de linha e pode ser aquecido. Antes de retomar a produção, a válvula (7) é fechada para bloquear o fluxo no anel. Se a válvula (7) é uma válvula de retenção, este passo é automático, mas isto pode não ser preferível porque impediria o fluxo inverso através do anel (6) devido à passagem de pig da tubulação (1) pelo tubo (3). Esta capacidade para permitir o fluxo inverso permitiria que o anel (6) fosse utilizado para retornar o fluido isolante da tubagem (1) para o anel (6) antes de reiniciar a tubagem (1) depois de desligado.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 19 –

[0081] Se o líquido isolante for diferente do fluido benigno, então o líquido isolante é bombeado para dentro do anel (6) para deslocar o fluido benigno para a tubulação (1) antes de fechar a válvula (7). Numa disposição ligeiramente diferente, a válvula (7) permanece parcialmente aberta durante um período de tempo para diluir o fluido de produção até ficar acima da temperatura aguda. Em seguida, a válvula (7) é fechada.

[0082] Conforme ilustrado ainda na Figura 9, uma válvula secundária (8) e um aquecedor (9) são características adicionais que podem ser acrescentadas para aquecer a tubagem (1). Em particular, a válvula secundária (8) pode ser aberta e a válvula primária (7) pode ser fechada para redirecionar o fluxo de líquido benigno do anel para outra tubulação (10) ou diretamente para o oceano (11). Neste caso, a temperatura do líquido benigno é elevada pelo aquecedor (10) de modo que o líquido aquecido aqueça os fluidos produzidos no tubo de linha (3). De qualquer forma, um líquido ou um sólido pode rodear e isolar o tubo de revestimento (5) da água do mar (11).

[0083] A Figura 10 ilustra outro condutor de fluido de acordo com o presente invento, que pode ser semelhante à outra tubagem na Figura 5. Uma perna de um gerador (8) é eletricamente ligada ao tubo de linha (3) e a outra perna do gerador (8) é eletricamente conectada ao tubo de revestimento (5) feito de um metal magnético. O tubo de linha (3) é mostrado transportando fluxo de uma cabeça de poço (9). Os tubos de revestimento e de linha (3 e 5) são isolados eletricamente um do outro pelo isolamento líquido (4), com exceção de uma ligação elétrica (10) que os liga eletricamente perto da extremidade da secção da tubulação (1) a ser aquecida. A corrente elétrica alternada flui através do tubo de linha (3) e retorna através do revestimento (5), causando aquecimento de impedância do tubo de linha (3). O revestimento (5) e o tubo de linha (3) são ambos espessos o suficiente para que o efeito de pele faça com que a corrente flua no interior do tubo de revestimento (5) e no exterior do tubo de linha (3), isolando eletricamente o receptáculo (5) da água do mar ambiente e do tubo de transporte (3) dos fluidos transportados. Idealmente neste caso, o receptáculo (5) oferece menos resistência elétrica do que o tubo de linha (3), e a maior parte do aquecimento ocorre no tubo de linha (3). O receptáculo (5), nestes casos, pode ser protegido da corrosão da maneira convencional, isto é, aplicando um revestimento anticorrosão e um sistema de proteção catódico no receptáculo (5). A desvantagem de tentar explorar completamente a natureza eletricamente isolante do efeito pele é que a exigência de espessura mínima de um material magnético é um fator limitante na redução do peso do tubo de transporte (3).

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 20 –

[0084] A Figura 11 mostra outro condutor de fluido de acordo com o presente invento, que pode ser semelhante à Figura 10. O tubo de linha (3) está eletricamente ligado a um gerador (8) e faz com que a corrente elétrica flua através do tubo de linha). Esta tubulação difere da tubagem na Figura 10 pelo fato de que a via de retorno da corrente é através de um eletrodo (10) através do qual a corrente flui então para dentro da água do mar (11) para o solo. Outras diferenças entre esta concretização e a Figura 10 são que o tubo precisa apenas ser um condutor elétrico, não necessariamente magnético, e a corrente elétrica pode ser AC ou DC. A outra perna do gerador (8) é ligada de forma semelhante através de outro elétrodo submerso (12) através do qual a corrente passa para a massa de água do mar da maneira descrita na Patente US 6.049.657. Se o tubo de revestimento (5 na figura 7) for feito de metal, será protegido com um revestimento anticorrosivo e um sistema de proteção catódico típico da técnica anterior. Se o receptáculo (5) for feita de material que não seja eletricamente condutor, então as medidas anticorrosão não são necessárias para proteger o receptáculo (5).

[0085] Para fins deste invento, condutos de fluido, tubagens, tubulações, linhas de fluxo e condutores aqui discutidos são definidos como estando dentro do âmbito da ASTM B3l.X em que X pode ser qualquer dos seguintes 1, 2, 3, 4, 5, 8 ou 11. No entanto, em vez de serem restritos a "gás" como na ASTM B31.8 §803.18, os condutos de fluxo podem dizer respeito a gás, líquido, lama ou semelhante. Além disso, os condutores, tal como aqui descritos, podem incluir tubagens submersas, enterradas ou abaixo do solo e condutas a jusante de uma cabeça de poço.

[0086] A descrição anterior de concretizações preferidas e outras não pretende limitar ou restringir o âmbito ou a aplicabilidade dos conceitos inventivos concebidos pelo Requerente. Com o benefício do presente invento, as características descritas acima de acordo com qualquer forma de concretização ou aspecto do objeto revelado podem ser utilizadas, sozinhas ou em combinação, com qualquer outra característica descrita, em qualquer outra forma de concretização ou aspecto do objeto revelado.

[0087] Em troca da divulgação dos conceitos inventivos aqui contidos, o Requerente deseja todos os direitos de patente proporcionados pelas reivindicações anexas. Por conseguinte, pretende-se que as reivindicações anexas incluam todas as modificações e alterações na medida em que estejam dentro do âmbito das reivindicações seguintes ou dos seus equivalentes.

Claims

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 21 - REIVINDICAÇÕES:

1. Um condutor de fluido submerso ou sob o solo em um ambiente e que está cercado por um líquido isolante contido em um recipiente, sendo o líquido isolante uma resistência primária ao fluxo de calor entre o condutor de fluido e o meio ambiente.

2. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, no qual o recipiente transmite a pressão ambiente para o líquido isolante.

3. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1 que compreende ainda uma pluralidade de suportes que separam o condutor de fluido do recipiente e ligam o condutor de fluido ao recipiente de modo a resistir ao movimento entre o condutor de fluido e o recipiente.

4. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações 1 ou 3, em que o líquido isolante pode ser transportado ao longo do condutor de fluido através do espaço entre o condutor de fluido e o recipiente.

5. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações 1 ou 3, na qual o espaço entre o condutor e o recipiente é dividido em espaços menores para reduzir a convecção ou condução de calor.

6. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações 1 ou 3, caracterizado ainda pelo fato de o líquido isolante no espaço entre o condutor e o recipiente também isolar eletricamente o condutor de fluido do recipiente.

7. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 6, em que um condutor de fluido conduz a corrente elétrica a partir de uma fonte geradora elétrica de modo a causar aquecimento do condutor de fluido e do seu conteúdo.

8. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, em que o espaço entre o condutor de fluido e o recipiente está ligado a uma bomba que pode fazer com que o líquido isolante se mova através do espaço e ao longo do condutor de fluido.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702 - 22 -

9. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 8, compreendendo ainda uma válvula que numa posição dirige o fluxo através do espaço para dentro do condutor de fluido e, noutra posição, isola o espaço do condutor de fluido.

10. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 8, compreendendo ainda uma válvula que numa posição dirige o fluxo através do espaço para dentro de um segundo condutor de fluido e, noutra posição, isola o espaço do segundo condutor de fluido.

11. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 8, compreendendo ainda uma válvula que numa posição dirige o fluxo através do espaço para o ambiente e, noutra posição, isola o espaço do fluido do ambiente.

12. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, em que o líquido isolante compreende pelo menos um líquido e um fluido supercrítico.

W02015/17l 902 PCT/US2015/029702 - 21 - REIVINDICAÇÕES: I. Um condutor de fluido submerso ou sob o solo em um ambiente e que está cercado por um líquido isolante contido em um recipiente, sendo o líquido isolante uma resistência primária ao fluxo de calor entre o condutor de fluido e o meio ambiente.

2. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, no qual o recipiente transmite a pressão ambiente para o líquido isolador.

3. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação I que compreende ainda uma pluralidade de suportes que separam o condutor de fluido do recipiente e ligam o condutor de fluido ao recipiente de modo a resistir ao movimento entre o condutor de fluido e o recipiente.

4. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações 1 ou 3, em que o líquido isolador pode ser transportado ao longo do condutor de fluido através do espaço entre o condutor de fluido e o recipiente.

5. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações l ou 3, na qual o espaço entre o condutor e o recipiente é dividido em espaços menores para reduzir a convecção ou condução de calor.

6. Um condutor de fluido de acordo com as Reivindicações 1 ou 3, caracterizada ainda pelo fato do líquido isolador no espaço entre o condutor e o recipiente também isola eletricamente o condutor de fluido do recipiente.

8. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, em que o espaço entre o condutor de fluido e o recipiente está ligado a uma bomba que pode fazer com que o líquido isolador se mova através do espaço e ao longo do condutor de fluido.

W02015/171902 PCT/US2015/029702 - 22 -

I O. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 8, compreendendo ainda uma válvula que numa posição dirige o fluxo através do espaço para dentro de um segundo condutor de fluido e, noutra posição, isola o espaço do segundo condutor de fluido.

12. Um condutor de fluido de acordo com a Reivindicação 1, em que o líquido isolador compreende pelo menos um líquido e um fluido supercrítico.

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

1/16

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

2/16

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

3/16

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

4/16

Figura 2b

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

5/16

Figura 2c

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

6/16

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

7/16

Figura 4a

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

8/16

Figura 4b

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

9/16

Figura 4c

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

10/16

Figura 5

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

11/16

Figura 6

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

13/16

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

14/16

Figura 9

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

15/16

Figura 10

WO2015/171902 PCT/US2015/029702

16/16

Figura 11

(57) Resumo: Um condutor de fluido que está abaixo do solo ou debaixo d’água é separado da água ambiente por uma camada limitada de líquido que pode ser em grande parte indivisível por sólidos.

A distância da separação entre os meios de contenção de líquidos e a tubulação ou tubagem é tal que a transferência de calor total por convecção natural e condução da tubulação ou tubagem para o ambiente contendo água é mantida dentro dos limites considerados necessários para isolar adequadamente o conteúdo da tubagem.

Um líquido pode ser bombeado entre o tubo e os meios para conter o isolamento de modo a deslocar fluidos de uma tubagem ou um líquido aquecido pode ser bombeado através desse espaço para aquecer o conteúdo da tubagem.

Se o líquido isolante também isola eletricamente o tubo, então o tubo pode ser aquecido por uma corrente passando diretamente através dele.